Muito antes da invenção de circuitos de monitoramento e controle para sistemas mecânicos, um cara chamado Walther Hermann Nernst (1864 ~ 1941) já havia criado sua teoria (Teoria de Nernst ~ 1899) explicando como transformar eventos físicos num valor de Tensão elétrica (Volts) ou Corrente elétrica (Amperes).
Mas, foi somente em 1976 que a alemã Bosch instalou num motor à combustão interna desenvolvido pela sueca Volvo (utilizado primeiramente nos modelos de carros 240 e 260) um sistema de controle de emissões de poluentes eletrônico, muito antes das normas sobre emissões serem criadas na Europa e no mundo, e que contemplava a primeira Sonda Lambda, que é o assunto deste artigo!
Imagem 1: Sonda Lambda da marca Bosch
O que entra e o que sai
Pra início de conversa, devemos saber o que um motor de combustão interna precisa para funcionar e o que ele expele posteriormente pelo coletor de escape!
No coletor de admissão...
→ A nossa atmosfera (o ar que respiramos) é composta por:
-> Nitrogênio: 78,03%;
-> Oxigênio: 20,99%;
-> Argônio: 0,94%;
-> Gás Carbônico: 0,03%;
-> Hidrogênio: 0,01%.
→ O combustível:
-> Gasolina: Composta por naftas complexas, isto é, Hidrocarbonetos (moléculas comopostas por Carbono e Hidrogênio). A estrutura molecular da Gasolina é composta de cadeias de Carbono de comprimentos diferentes, variando de C7H16 a C11H24.
Folder 1 - Os elementos base que compõem a Gasolina brasileira (Documento emitido pela Petrobras em 2021)
CURIOSIDADE: Para aumentar a octanagem, além do Etanol Anidro são adicionados também outros compostos, tal como o metil-t-butil-éter (MTBE), que representa até 7% no volume da Gasolina. Tal composto se faz presente nas Gasolinas Premium e Podium da Petrobras.
Antigamente, no Brasil, mais especificamente entre 1922 e 1992, o Chumbo Tetraetila era utilizado para aumentar a octanagem da Gasolina, no entanto, a poluição do ar com Chumbo era extremamente prejudicial à saúde Humana. Fora isso, o Chumbo também é responsável pela degradação de componentes, como por exemplo o catalisador.
A Gasolina pura (Tipo A) é produzida pelas refinarias e vendida aos distribuidores, que farão a aditivação com Etanol Anidro.
A Gasolina comum (Tipo C) possui como aditivo apenas o Etanol Anidro, tendo um valor de octanagem '87'. Já a Gasolina aditivada (também do tipo C) - com a mesma octanagem da comum -, para além do Etanol, usa-se um detergente que é adicionado pelo distribuidor (não tendo qualquer regulamentação ou padronização).
CURIOSIDADE: Tal detergente da Gasolina aditivada tem a suposta função de colaborar para integridade (limpeza) do sistema de injeção eletrônica. Este detergente não possui sua composição química explícita no frasco (afinal é propriedade intelectual de cada indústria química que o faz e a legislação não obriga informa-la), todavia, através do número ONU 3082 (Organização das Nações Unidas) no rótulo de uma embalagem avistada por mim, pude concluir que o químico base é o TriCloroFluoroMetano.
-> Etanol (ou Álcool): Também chamado de álcool etílico, é um composto orgânico da família dos álcoois representado pela fórmula molecular C2H6O (que é a junção de CH3 – CH2 – OH).
Na definição do dia-a-dia, o Etanol é um biocombustível produzido através da fermentação do amido ou de outros açúcares, de origem vegetal.
CURIOSIDADE: Existem dois tipos básicos de Etanol, isto é, o anidro e o hidratado. O que difere esses dois tipos é a concentração de água: no hidratado, a água pode chegar a 5% e, no anidro, a 0.5%.
O Etanol anidro (que possui os tipos 'indústrial' e 'neutro') contém muito mais álcool do que água na composição, o que o torna praticamente um álcool puro. Por isso, ele é destinado a outras finalidades, como a produção de tintas, solventes e para aumentar a octanagem da Gasolina.
Já o Etanol hidratado (que possui os tipos 'industrial', 'neutro', 'especial REN / COREIA' e o 'carburante') pode ser usado diretamente como combustível. O Etanol vendido nos postos é o tipo hidratado comum, também chamado de hidratado carburante, e tem em sua composição entre 95,1% e 96% de Álcool e o restante água;
-> GNV (Gás Natural Veícular): Sua composição típica é de Hidrocarbonetos, dos quais o principal componente é o Metano (cerca de 88%), seguido do Etano (cerca de 9%), propano (cerca de 1%) e de frações pesadas provenientes da extração (cerca de 2%);
-> Diesel: O óleo Diesel é um combustível líquido derivado de petróleo, utilizado em motores ciclo Diesel (de combustão interna e ignição por compressão), composto majoritariamente por Hidrocarbonetos com cadeias de 8 a 16 átomos de Carbono, podendo conter, em menor proporção, Nitrogênio, Enxofre e Oxigênio.
Folder 2 - Os elementos base que compõem o óleo Diesel brasileiro (Documento emitido pela Petrobras em 2021)
O Diesel rodoviário pode ser o S500 (comum) ou o S10, ambos do 'Tipo B', isto é, misturado com Biodiesel, que atualmente está fixado em 10% em volume para ambos.
-> Biodiesel: Composto basicamente por uma mistura de ésteres de ácidos graxos com monoalcoóis de cadeia curta, como o Metanol ou o Etanol. Essa mistura é obtida pelos processos de transesterificação ou esterificação.
No coletor de escape...
Além do Óxigênio não queimado, o motor de combustão interna expele:
→ Monóxido de Carbono (CO): é um gás resultante da queima incompleta do combustível e, quando inalado, reduz a capacidade do sangue de transportar Oxigênio;
→ Óxidos de Nitrogênio (NOx): São formados quando o Nitrogênio (presente no ar atmosférico) reage com o Oxigênio em razão da alta temperatura na câmara de combustão. O NOx participa da formação do “smog” fotoquímico, cujo principal poluente é o ozônio. Contribui também na formação de chuva ácida e do material particulado.
Se constitui em um dos poluentes de maior preocupação na atualidade e que requer tecnologias atualizadas de controle, já que sua formação tende a aumentar com a eficiência dos motores, principalmente nos veículos movidos a óleo diesel;
→ Hidrocarbonetos (HC): Parcela de combustível não queimado ou parcialmente queimado que é expelido pelo motor, bem como vapor de combustível emitido de diversos pontos do veículo ou expelido durante o abastecimento do tanque. Assim como o NOx, os HCs merecem especial atenção quanto ao seu controle, já que reagem na atmosfera promovendo a formação do “smog” fotoquímico. Por sua reatividade, é comum tratar os HCs como Compostos Orgânicos Voláteis (COV), onde se exclui o Metano.
CURIOSIDADE: Para saber mais sobre Compostos Orgânicos, com foco nos polímeros e elastômeros, CLIQUE AQUI!
-> Fuligem (partículas sólidas e líquidas): Sob a denominação geral de material particulado (MP) devido ao seu pequeno tamanho, mantém-se suspensa na atmosfera e pode penetrar nas defesas do organismo, atingir os alvéolos pulmonares e ocasionar diversos efeitos negativos a saúde. Seu controle é especialmente importante para veículos de tecnologia diesel, que são os veículos de mais expressiva emissão desse poluente.
CURIOSIDADE: Na inspeção veícular é feito a medição da 'quantidade' de fuligem expelida pelos motores Diesel através do teste de opacidade, fazendo uso de princípios da Física Óptica. Para saber mais detalhes sobre o assunto, CLIQUE AQUI!
O sensor Lambda
Agora sim, prosseguimos com o princípio de funcionamento da sonda Lambda...
Nos motores controlados eletronicamente (injeção eletrônica), a Sonda Lambda compara o teor de Oxigênio nos gases de escape com o teor de Oxigênio da atmosfera, para assim informar pro computador de injeção eletrônica se há muito ou pouco Oxigênio saindo pelo coletor de escape e, desta forma, calcular a estequiometria da mistura ar/combustível.
Repare que, moléculas que tenham Oxigênio não são incluídas neste sensoriamento, afinal, aqui o necessário é saber a quantidade de Oxigênio que não foi queimado, isto é, passou pela câmara de combustão sem sofrer nenhuma transformação química (como a fomação de CO ou NOx).
CURIOSIDADE: Nos veículos mais atuais (no Brasil, a partir de 2009) as leis sobre emissões de poluentes fizeram com que as fabricantes colocassem duas Sonda Lambda no coletor de escape: a sonda normal, antes do conversor catalítico, e uma Sonda após o conversor catalítico.
Já que o conversor catalítico, conhecido popularmente como "catalisador" não possui nenhuma eletrônica embarcada - algo que permita inspecionar sua operação -, viu-se a necessidade de monitorar seu funcionamento externamente, pois como todo equipamento ele tende a se desgastar, perder eficiência e parar de cumprir seu papel, que neste caso é converter os gases altamente poluentes que saem do motor em gases menos prejudiciais ao meio ambiente.
O que o computador da injeção faz é comparar os valores de Tensão vindos das duas sondas (a pré e a pós-catalisador). Caso as duas sondas estejam marcando valores iguais, isso pode significar um catalisador que chegou no fim da vida útil.
Imagem 2 - Sonda pré e pós catalisador
Como o catalisador quebra moléculas e forma outras, isto é, há a transformação de gases poluentes liberados pelo motor (como CO, NOx e HCs) em compostos seguros (como CO2, H20 e N2), existe uma diferença entre a quantidade de átomos de Óxigênio 'livres' que entram e que saem dele, e é exatamente isso que justifica a colocação de uma sonda pós-catalisador.
A Sonda Lambda gera uma diferença de potencial (Tensão) na casa dos milivolts (mV) conforme o teor de Oxigênio presente nos gases do escapamento.
-> Valores altos de Tensão significam que praticamente todo o Oxigênio injetado na câmara de combustão foi 'queimado', restando quase nada nos gases de escape.
-> Valores baixos de Tensão significam que o Oxigênio está sendo injetado além do necessário para a queima do combustível, portanto, ainda haverá Oxigênio nos gases de escape.
A sonda informa ao computador da injeção eletrônica a quantidade de Oxigênio que não foi queimado, e por sua vez, o módulo usa essa informação buscando a queima perfeita (que seria l=1, ou seja, 450 mV).
A estequiometria perfeita é quando a Sonda Lambda gera um valor de 450 mV, entretanto, este valor não é possível o tempo todo, pois a quantidade de combustível injetado depende muito da situação do propulsor, do efeito catalítico e outras situações em que o motor é submetido, como por exemplo nas acelerações e nas desacelerações, motor frio e quente, plena carga e etc.
Gráfico 1 - Relação estequiométrica (A/F - Ar/Fuel) em relação a Tensão (em milivolts)
Observe os dois pontos destacados pelas letras "A" e "B":
A: Rica mistura, falta de Oxigênio;
B: Mistura pobre, excesso de Oxigênio.
Desta forma, resumidamente, o computador da injeção não utiliza os seus valores para cálculo nos seguintes casos:
-> Na fase fria, pois a mistura deve ser rica (para que o motor aqueça mais rapidamente);
-> Na aceleração rápida ou plena carga;
-> Na desaceleração (cut-off) onde a mistura deve ser pobre.
CURIOSIDADE: No caso da fase fria, a quantidade de combustível injetada aumenta, e quando o motor atinge sua temperatura ideal de trabalho (que varia de projeto pra projeto), o sensor de temperatura (uma espécie de resistor, isto é, um Termistor NTC) informa pro computador da injeção um valor de tensão que representa a temperatura do motor, e desta forma, a quantidade de combustível injetada é reduzida para os valores normais, sendo a Sonda Lambda fundamental para acertar este valor. Um carro que está com defeito no Sensor Lambda vai ter problemas em acertar a estequiometria, vai perder desempenho e aumentar o consumo de combustível.
Para saber o que é um Termistor NTC, CLIQUE AQUI!
Para uma análise mais precisa do resultado da sonda, o veículo deve estar na temperatura ideal de trabalho e o motor em 2500 RPM constantes, então o valor (em milivolts) tem que oscilar rapidamente entre 50 a 900 mV. Como margem de erro podemos considerar ± 200 mV.
É considerando aceitável entre: 200 a 700 mV. Uma faixa de valores “mais estreita” do que esta é considerado baixa amplitude, sonda contaminada ou envelhecida. Nestes casos é necessário a substituição da peça.
As sondas Lambda são comercializadas com dois tipos principais de estrutura e ambos são destacados abaixo:
Imagem 3 - Sonda Lambda Dedal e Planar
→ Sonda do tipo Dedal (ou Finger): Primeiro modelo de sonda lançado (datado de 1975). Ele é composto de uma cerâmica feita de Dióxido de Zircônio envolta em uma camada de Platina microporosa tanto externa quanto internamente. Dentro do “Dedal” há uma amostra de Oxigênio puro que serve como referência para o funcionamento do componente.
Imagem 4 - Sonda Lambda Dedal. Lembrando que, em seu interior também existe um resistor de aquecimento
→ Sonda do tipo Planar: Modelo mais atual e moderno. O início dos projetos começaram em 1990 e o primeiro veiculo a ser equipado com tal tecnologia é datado de 1994. O sensor Planar possui este nome pois é composto de lâminas compostas dos mesmo materiais (Dióxido de Zircônio, Platina microporosa e Oxigênio no interior) dispostas uma em cima da outra. Este sensor também possui um aquecedor resistivo em forma de lâmina.
Imagem 5 - Sonda Lambda Planar. Observe que ela é composta por um "sanduíche" de lâminas.
Independente de ser Finger (Dedal) ou Planar, ambas são feitas de Dióxido de Zircônio (ZrO2) estabilizado como Óxido de Ítrio (Y2O3), isto é, um material cerâmico dopado, sendo classificado como um semicondutor.
Para saber mais sobre semicondutores, recomendo que CLIQUE AQUI!
OBSERVAÇÃO: Você sempre verá a Sonda Lambda sendo descrita de maneira superficial, isto é, contendo cerâmica de Zircônia, sem se aprofundar nas dopagens.
Na Sonda Lambda, esta cerâmica funciona como um eletrólito para condução de elétrons entre sua superfície externa e interna, que são recobertas por Platina porosa.
A camada exterior recoberta de Platina (que fica em contato com os gases de escape) é ligada à massa (afinal, ao polo negativo) e o sinal positivo da sonda é retirado da camada interior (que está em contato com o ar atmosférico).
Do ponto de vista de propriedades elétricas, a Zircônia nominalmente pura é um semicondutor para temperatura igual ou maior que 600 °C. Para temperaturas inferiores, a condução é majoritariamente iônica dada a baixa concentração de portadores de carga eletrônicos intrínsecos. Este fato aliado às impurezas normalmente presentes tornam a maioria das Zircônias "puras" comercializadas condutores iônicos.
Sob altas temperaturas o eletrólito cerâmico torna-se condutor e gera uma corrente elétrica que caracteriza o teor de Oxigênio dos gases de escapamento. Você verá uma maior aprofundamento do assunto ao longo deste texto.
Para saber mais sobre a Zircônia, recomendo a leitura dos textos dedicados aos vidros e às cerâmicas. Para começar pelo primeiro capítulo, basta CLICAR AQUI!
Classificação
> Sensor Lambda – W: Aquecido pelo calor dos gases de escapamento. Possui versões com 01 fio (WOR) e versões com 02 fios (WORG).
A primeira Sonda Lambda (meados de 1975) surgiu com seu polo negativo fixado na carcaça do componente. A Sonda possui uma rosca e é “parafusada” diretamente na estrutura do coletor de escape. Com o passar dos anos, notou-se que a ferrugem que se forma em todo o coletor de escape acabava gerando um mau contato com o sensor, fazendo ele perder sua conexão com a 'massa' e assim ocasionando falhas de leitura do teor de Oxigênio nos gases de escape. Então, em 1978, a Sonda Lambda ganhou um segundo fio, o fio pro terminal negativo, que era conectado em outro local, longe da ferrugem do coletor de escape.
> Sensor Lambda – R: Aquecido por uma resistência interna. Possui versões com 03 fios (WR) e versões com 04 fios (WRG).
Como tudo na tecnologia, a sonda evoluiu mais uma vez. Como dito, na fase fria, o motor precisa de uma mistura mais rica (excesso de combustível) para aquecer mais rápido, e é nesta fase que o motor gera mais poluição, todavia, o Sensor Lambda necessita estar numa temperatura acima de 300°C para informar valores de Tensão precisos. Então resolveu-se que havia necessidade de um “aquecedor” embutido no interior da Sonda para que ela atingisse sua temperatura nominal em menos de 1 minuto. É um aquecedor comum, que se utiliza da resistência elétrica para gerar calor. Este aquecedor pode ter resistência de 4Ω a 6Ω. Em alguns Toyota e Honda importados essa resistência pode ser de 13Ω. Nas Sondas Lambda tipo Planar a resistência varia entre 9Ω e 10Ω.
CURIOSIDADE: Este aquecedor está ligado ao relê da bomba de combustível. Quando você gira a chave na ignição, antes de dar a partida no motor, a bomba de combustível é ativada e pressuriza toda a linha de alimentação, do tanque até os bicos injetores. Além da bomba, o aquecedor passa a funcionar, assim agilizando todo o processo para quando houver a partida do motor a Sonda já estar em processo de aquecimento.
Em muitos veículos com Sonda Lambda Planar, não há conexão alguma com o relé da bomba de combustível. É o próprio computador da injeção que gera um onda quadrada (PWM) numa determinada frequência oscilando entre 0 e 12 V durante uns 2 segundos após virar a chave na ignição. Esse sinal elétrico pulsante serve pra Sonda não aquecer de forma abrupta, o que pode ocasionar um choque térmico e em danos irreversíveis ao componente. Após os pequeno período de sinal pulsante, o aquecedor da Sonda volta a ser alimentado com Tensão contínua. Foi aí que as Sondas passaram a ter:
> 3 fios: Positivo da Sonda(1), positivo(2) e negativo(3) do aquecedor. O negativo da Sonda é ligado na carcaça do componente, não necessitando de fio;
> 4 fios: Positivo(1) e negativo (2) da Sonda, positivo(3) e negativo(4) do aquecedor.
Com base no que vimos até aqui, explicaremos o funcionamento de dois tipos de sonda Lambda: a de banda estreita (mais comum) e a de banda larga.
De qualquer maneira...
O “coração” de um Sensor Lambda é um elemento em formato de dedal (sensor comum) ou um elemento Planar (um conjunto de Lâminas), constituído de Dióxido de Zircônio (um material cerâmico), coberto interna e externamente por uma fina camada de Platina microporosa.
Uma Sonda Lambda tem sua precisão perfeita a partir de 300 °C. Sua temperatura normal de funcionamento é na faixa dos 800 °C. Contudo, a maioria delas pode trabalhar tranquilamente até os 1.500 °C.
A principal vantagem da Planar em relação ao Sensor Lambda tipo “Dedal” é seu aquecimento muito mais eficaz durante a fase fria do motor. A Sonda Planar demora cerca de 8 a 10 segundos para superar os 300°C e passar a ter um sinal de precisão, diferente das Sondas comuns, que mesmo com aquecedor levam 50 a 60 segundos para aquecer.
Esse elemento sensor é, na verdade, uma célula de Nernst. Quando o Dióxido de Zircônio dopado é aquecido acima de 300 °C, ele se torna um condutor elétrico, conduzindo íons de Oxigênio da camada de Platina (em contato com a atmosfera de referência), para a outra camada (em contato com os gases de escape). O sensor utiliza a atmosfera para fazer a medição, isto é, o ar que respiramos com os 20,99% de Oxigênio, que serve para criar uma referência e assim se ter a diferença de potencial com o teor de Oxigênio do coletor de escape.
CURIOSIDADE: Para se lembrar o que é um Íon, CLIQUE AQUI!
Imagem 6 - Sonda Lambda do tipo Dedal (banda estreita) com sua estrutura interna exposta. Analise a Imagem 9 para entende-la melhor
Para entender melhor o funcionamento da sonda, precisamos saber disso:
Proporção Estequiométrica
Relação ideal: Ar/Combustível:
> Gasolina – 14.7:1 (Nos EUA) - 14,7 partes de ar para 01 de combustível – gasolina.
> Gasolina – 11.5:1 (No Brasil) - 11,5 partes de ar para 01 de combustível – gasolina com até 25% a 33% de Alcool Anidro.
> 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.
> GNV (Metano) – 16.9:1 - 16,9 partes de ar para 01 de combustível – GNV.
Agora sim, a explicação de como funciona este sensor.
Sonda Lambda de banda estreita
Vamos destacar aqui a sonda Lambda de banda estreita, também conhecida como "EGO", sigla para "Exhaust Gas Oxygen Sensor", genericamente tratada pelo dialeto popular como "sonda lambda", ou "sonda lambda on-off".
A sonda de banda estreita é a mais comum do mercado, podendo utilizar um sensor do tipo dedal ou do tipo planar.
Reiterando:
-> Mistura Rica: Se 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 negativo de Platina porosa e a Tensão gerada será relativamente alta (acima dos 450 mV);
-> Mistura Pobre: Numa situação contrária, mistura POBRE, mais Oxigênio estará presente (não há combustível suficiente para queimá-lo todo) o que se traduz em mais Íons no eletrodo negativo de Platina porosa, causando menor potencial elétrico (abaixo de 450 mV).
Como você pode ver, nos casos de mistura pobre ou rica, há sempre um pouco de Oxigênio que não é aproveitado e acaba saindo pelo cano de escape. Quando os átomos de Oxigênio de referência batem na superfície da Sonda Lambda, eles acabam se agrupando, se acumulando nesta superfície na tentativa de ultrapassar a Platina microporosa e a cerâmica e atingir o Oxigênio que está passando pelo tubo de escape que está do outro lado. Como o sensor está a mais de 300°C, estes átomos de Oxigênio acabam liberando elétrons nesse processo, se tornando Íons positivos (Cátions) e sendo conduzidas ao polo negativo por meio do eletrólito de cerâmica.
→ A camada de Platina microporosa externa (que está em contato direto com os gases do escape) é o eletrodo do polo negativo;
→ A camada de Platina microporosa interna (que está em contato direto com o Oxigênio de referência) é o eletrodo do polo positivo.
Imagem 7 - Funcionamento da Sonda Lambda
Como o Dióxido de Zircônio dopado é um semicondutor em altíssimas temperaturas, ocorre um fluxo de elétrons entre o polo positivo e o negativo, gerando uma diferença de potencial elétrico (DDP). Quanto maior for a diferença de concentração de Oxigênio nos gases de escape e na atmosfera de referência, maior será a Tensão gerada entre os eletrodos de Platina.
Resumindo: A diferença entre o Oxigênio no coletor de escape e o Oxigênio de referência do interior da Sonda é que cria a diferença de potencial em milivolts. Por isso que quando a mistura é pobre a diferença de potencial (Tensão) entre os eletrodos é muito pequena devido a quantidade de Oxigênio no coletor de escape ser muito próxima da quantidade de Oxigênio de referência da Sonda.
Quando a mistura é rica, a DDP (Tensão) entre os eletrodos é mais alta devido a quantidade de Oxigênio no coletor de escape ser muito diferente da quantidade de Oxigênio de referência no interior da Sonda.
CURIOSIDADE: Nos veículos Diesel, a função da Sonda Lambda não é medir a mistura ar/combustível (se está rica ou pobre), mas sim medir o Óxido de Nitrogênio gerado na queima de combustível.
Diferente das Sondas Lambda Banda Larga, que veremos mais adiante, as Sondas Lambda do tipo Dedal e Planar não medem com exatidão se a mistura está pobre ou rica. Como vemos no Gráfico 1, o valor de tensão oscila bastante entre os 100 mV e os 900 mV, portanto em uma medição com osciloscópio ou scanner automotivo, o gráfico que se formará será semelhante ao da imagem abaixo:
Gráfico 2 - Sinal gerado pela Sonda Lambda
CURIOSIDADE: Nos veículos nacionais adaptados pra rodarem com GNV, há um emulador entre a Sonda Lambda e o computador da injeção. Isto ocorre pois o sistema tende a trabalhar com uma mistura mais rica de Ar/GNV pra compensar as diferenças entre os combustíveis (torque e potência gerada). Veículos produzidos fora do país, que possuem suporte ao GNV de fábrica, trazem um módulo de injeção que se adapta ao combustível e entende a mistura mais rica como “normal” quando abastecido com Gás.
Sonda Lambda de Banda Larga (Wide Band)
É a evolução do Sensor Planar.
Pense: Se é possível aquecer uma Sonda Lambda, fazer passar Oxigênio por ela e gerar uma Tensão elétrica, também é possível aquecer uma Sonda, aplicar uma Tensão e gerar Oxigênio. Através disso foi possível criar uma espécie de “bomba de Oxigênio” no interior da Sonda, e que trabalha em conjunto com a atmosfera de referência para fazer a medição. Isso melhorou a precisão do sensor, que ganhou um segundo conjunto de lâminas do tipo Planar e mais dois fios. As fabricantes também passaram a utilizar a Corrente Elétrica (em mA) ao invés da Tensão (em mV) gerada pelo sensor para efetuar os cálculos no módulo de injeção.
Imagem 8 - Diagrama da Sonda Lambda Banda Larga
A bomba de Oxigênio que nos referimos é a "Célula de Injeção O³" da imagem acima. Se a mistura está RICA, é necessário injetar Oxigênio na Câmara de Difusão para que a estequiometria se torne ideal. Caso a mistura esteja POBRE, ocorre o contrário, isto é, a Célula de Injeção terá que retirar Oxigênio da mistura de gases que está chegando na Câmara de Difusão. Essa mistura RICA com Oxigênio injetado ou POBRE com Oxigênio retirado será lida pela Célula de Nernst, com seu eletrodo positivo na Atmosfera de Referência e seu eletrodo negativo na Câmara de Difusão.
Perceba que o eletrodo negativo da Célula de Nernst está ligado ao eletrodo negativo da bomba de Oxigênio.
Resumidamente, a função da bomba de Oxigênio é retirar ou adicionar átomos de Oxigênio aos gases que entram na câmara de Difusão. Entre os dois eletrodos da Célula de Injeção, há uma Tensão elétrica fornecida pelo ECU (computador da injeção eletrônica). Dessa aplicação de Tensão na bomba de Oxigênio, surge uma corrente elétrica, medida em mA (miliampéres), chamada de "Corrente de Bombeamento". É esta corrente que servirá pra injeção eletrônica (ECU) do veículo medir a estequiometria exata da mistura Ar/Combustível.
Trocando em miúdos, a Célula de Nernst verifica se a mistura está pobre ou rica e o valor de tensão serve para a ECU alimentar a bomba de Oxigênio que retirará ou adicionará átomos de Oxigênio nos gases de escape.
Mas como são geradas moléculas de Oxigênio na Bomba de Injeção?
Na mistura RICA, há poucos átomos de Oxigênio nos gases de escape, porém, como no escapamento há outros gases sendo expelidos, há outras moléculas com átomos de Oxigênio em sua estrutura (por exemplo o CO³). Essas moléculas são decompostas quando é aplicado uma tensão elétrica entre o eletrodo positivo e o negativo da bomba de Oxigênio. No eletrodo positivo, esses átomos se transformam em Íons positivos e são atraídos pro eletrodo negativo, que está em contato com a Câmara de Difusão. Quando a mistura de gases está POBRE na Câmara de Difusão, ocorre o contrário, isto é, os átomos de Oxigênio saem da Câmara de Difusão através da Bomba de Injeção.
Gráfico 3 - Sinal principal da Sonda, utilizado para cálculos no computador da injeção
Como é possível ver no gráfico acima, para uma mistura Estequiométrica a Corrente de Bombeamento, descrita anteriormente, é nula. A medida que a mistura vai empobrecendo, a corrente elétrica sobe gradativamente. E para uma mistura rica, a corrente é negativa.
para encerrar este tópico, as sondas com bomba de Oxigênio operam na faixa dos 750 °C, portanto, o resistor de aquecimento tem uma potência maior que as Sondas do tipo Dedal e Planar.
Abaixo, detalhes sobre a estrutura daquilo que compõe o sensor Lambda:
Imagem 9 - Estrutura interna da Sonda Lambda
O castelo metálico, composto por uma liga de Aço-Carbono usinada e galvanizada (com Cromo ou Zinco para atenuar corrosão) possui as seguintes características:
-> Torque: 40 a 60 Nm (Newton metro);
-> Chave sextavada 22 mm;
-> Rosca: M18 x 1,5.
Em geral, as capas metálicas acima e abaixo do castelo são confeccionadas com alguma especificação de aço INOX 3xx ou 4xx. O isolante elétrico (2) acima do elemento sensor pode ser feito de cerâmica de Alumina tal qual o isolante das velas de ignição. Apenas o elemento sensor utiliza Zircônia.
Imagem 10 - Uma sonda Lambda Dedal de banda estreita com o 'miolo' exposto
O aquecedor, em formato de bastão, é igual à um resistor de cerâmica. Para saber mais sobre o funcionamento dos resistores e os materiais mais comuns utilizados em sua fabricação, CLIQUE AQUI!
Este tópico trata de informações complementares...
Contaminação
A Sonda Lambda pode sofrer contaminação caso haja alguma anomalia no motor. Mistura muito rica pode resultar em combustível sendo jogado fora pelo coletor de escape. O combustível acaba impregnando no sensor, fazendo com que ele perca sua precisão. Partículas de Carbono também podem obstruir os poros da Platina.
Quando o líquido de arrefecimento (produto composto de etilenoglicol e água desmineralizada) está entrando diretamente na câmara de combustão devido haver uma junta de vedação rompida, também ocorre uma contaminação na Sonda. Quando é água ou aditivo de radiador o Sensor oxida (enferruja) e perde sua sensibilidade.
Motores a combustão podem queimar até 1 litro de óleo a cada 1 mil km rodados, isso depende do projeto do motor e da legislação sobre emissões de poluentes em cada região do planeta.
Para se ter uma ideia, veja esta página do manual do proprietário para o FIAT Palio FireEVO (2012 ~ 2018):
Imagem 11 - O consumo de óleo tem um limite tolerável, porém, ele pode variar dentro desta faixa de acordo com as condições em que o veículo é operado
Na próxima imagem, temos as informações do fabricante Ford para os modelos Focus de primeira geração, vendido no Brasil entre 2002 e 2009:
Imagem 12 - Note que o motor pode consumir mais óleo quando novo
Levando em conta a imagem acima, é óbvio que se a manutenção preventiva não for efetuada e o mau uso do veículo se perpetuar, o consumo de óleo regressará gradativamente para os altos valores de quando o propulsor era novo, porém, não mais toleráveis, indicando um desgaste se 'exponencializando' no motor.
O motivo do alto consumo de óleo lubrificante tolerado aos primeiros 5 mil kMs rodados se dá pelo assentamento das peças que compõem o propulsor e varia de projeto para projeto também, cabendo ao fabricante informar (ou não) isto no manual de instruções.
A Sonda Lambda consegue suportar tranquilamente esta contaminação por óleo ou de gases oriundos da queima do óleo. Caso a queima de óleo seja maior do que os limites pré-estabelecidos, o sensor tende a perder sua sensibilidade e ter vida útil reduzida.
OBSERVAÇÃO: Tome o costume de ler cuidadosamente o manual do seu veículo. Caso não tenha a cópia original impressa, procure no site do fabricante ou então em fóruns e grupos de redes sociais relacionados à marca ou ao modelo. É fundamental que você faça a leitura deste livreto!
Outros tipos de Sonda Lambda
SENSOR LAMBDA A/F: Existem sensores de banda larga com apenas 4 fios, conhecidos como Sonda Lambda A/F, que se assemelham a um sensor Lambda Planar, possuem apenas os dois eletrodos da Célula de Nernst, porém integram uma bomba de Oxigênio que utilizam estes mesmos dois eletrodos. O funcionamento também se baseia no computador de injeção fazer a leitura da da Corrente ao invés da Tensão pra efetuar os cálculos. Seu diagrama pode ser visto abaixo:
Imagem 10 - Diagrama da Sonda lambda A/F (Air/Fuel - Ar/Combustível)
Sondas A/F possuem um resistor de aquecimento na faixa dos 2Ω a 3Ω.
SONDA LAMBDA DE TITÂNIO: É um sensor resistivo feito de cerâmica semicondutora de Dióxido de Titânio. Ela precisa ser alimentada geralmente com uma tensão de 5 Volts pelo módulo de injeção eletrônica. O elemento resistivo possui uma tensão de referência igual a metade da tensão de alimentação, isto é, a queda de tensão provocada pelo resistor é de 2,5 V, e a quantidade de Oxigênio que o atige altera esta DDP. Em pleno funcionamento (motor ligado) um valor de sinal em torno de 2,5 V indica uma mistura de ar/combustível apropriada.
Com o enriquecimento da mistura (maior injeção de combustível, normal em acelerações), a concentração de Oxigênio nos gases de escape cai, com isso a resistência elétrica do Dióxido de Titânio também cai, conferindo uma maior condutividade e permitindo que o sinal fique entre 4 e 5 Volts.
Já com o empobrecimento da mistura (redução na injeção de combustivel, normal em desacelarações), a concentração de Oxigênio nos gases de escape sobe, aumentando a resistência elétrica da sonda, reduzindo a condutividade, fazendo com que o sinal de saída possa cair para um valor abaixo de 2,5 Volts.
Sondas de Dióxido de Titânio não precisam de ar atmosférico como referência para seu funcionamento, o que é uma vantagem em relação às comuns de Dióxido de Zircônio.
CURIOSIDADE: O Dióxido de Titânio é conhecido por apresentar comportamento de semicondutor dada às vacâncias (lacunas) de Oxigênio, que inserem níveis energéticos rasos, próximo à banda de condução do TiO2, ou seja, essas vacâncias são como uma dopagem. Ao expôr o TiO2 ao Oxigênio sob uma determinada temperatura pode se fazer aumentar a resistência elétrica, pois a quantidade de lacunas será reduzida.
Da mesma maneira que um processo de revenimento de aço a altas temperaturas provoca a formação de uma película de Óxido de Ferro - onde a espessura é relacionada a temperatura e ao período de exposição - o Dióxido de Titânio pode sofrer o mesmo efeito, porém, de forma reversível quando exposto a uma temperatura entre 300 e 700 °C.
Acima dos 850 °C danos podem ocorrer no elemento resistivo, e abaixo dos 300 °C sua precisão não é confiável, isto é, o contato com o Oxigênio - seja dos gases de escape ou da atmosfera - não produz uma alteração de resistência proporcional, tanto que quando exposto ao ar atmosférico, o sinal de saída é do tipo "dente de serra", oscilando entre 2,5 e 3,5 Volts até que o sensor seja aquecido por um resistor interno (tal como é nas sondas de Dióxido de Zircônio), sendo a alimentação da sonda e do aquecedor ligadas no mesmo fio (em alguns projetos pode ser individual também).
Especificações da Sonda Lambda de Titânio:
→ Mistura Rica: 1 KΩ ;
→ Mistura Pobre: 20 KΩ ;
→ Com a variação de Resistência a tensão pode atingir valores entre 1V e 5V;
→ Resistência elétrica do aquecedor interno pode variar entre 7 a 10 Ω, dependendo do modelo da Sonda.
Características externas:
→ Chave sextavada 12 mm;
→ Chicote elétrico com capa ou pelo menos 1 fio na cor vermelha;
→ Fixação por meio de flange.
Conteúdo Extra
No Link abaixo, você confere uma tabela completa com os tipos de Sonda Lambda lançados desde 1975, suas características, circuitos e afins.
(PDF fornecido pela MTE Thomson)
Este complexo Sensor é o nariz de um motor a combustão moderno, sendo de fundamental importância para a economia de combustível (seu bolso) e o controle de emissões de poluentes (sua saúde).
E assim concluímos mais um artigo do Hardware Central. Para mandar sugestões, reclamações, ideias, nos avisar de erros de gramática e afins, entre em contato pelo hardwarecentrallr@gmail.com
FONTES e CRÉDITOS
Texto: Leonardo Ritter;
Imagens: MTE Thomson, Bosch e Google Imagens;
Fontes: MTE Thomson; Bosch; CETESB; Petrobras; MUndo Educação; Raizen; embarcados.com.br; e Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas).
Última atualização: 24 de Outubro de 2023.