Universidade Federal de Minas Gerais Escola de Engenharia da UFMG

Sistema de Injeo Eletrnica Sensor de Oxignio (Sonda Lambda)

Professor: Jos Maria Galvez

Belo Horizonte Julho/2011

Equipe: Filipe Lage Garcia 2010017263

Sistema de Injeo Eletrnica Sensor de Oxignio Trabalho apresentado para avaliao na disciplina Introduo Mecatrnica do Curso de Engenharia Mecnica da Escola de Engenharia da Universidade de Minas Gerais. Prof. Jos Maria Galvez

Sumrio: 1. Introduo 2. Sensores de Oxignio 2.1. Localizao 2.2. Funcionamento 2.2.1. Funcionamento (movimentao inica) 2.3. Tipos de sensores 2.3.1. Classificao pelo nmero de fios 2.3.2. Classificao pelo elemento ativo 2.3.3. Classificao pela banda do sensor 2.3.4. Classificao Planar ou Convencional (Finger) 2.4. Efeitos das alteraes climticas na quantidade de ar admitido 3. Evoluo dos Sensores de Oxignio 4. Outros usos para sensores de oxignio 5. Falhas comuns dos sistemas 6. Principais fabricantes 7. Concluso 8. Referncias Bibliogrficas 9. Anexos

1. IntroduoCom a rpida evoluo dos motores dos automveis, o sistema de carburador comeou a no conseguir suprir as necessidades dos novos veculos, no que se refere emisso de gases, economia de combustvel, potncia, respostas rpidas nas aceleraes, etc. Para que o motor tenha um funcionamento suave, econmico e no contamine o meio ambiente, ele necessita receber uma mistura ar/combustvel perfeita, em todas as faixas de rotao. Um carburador, por melhor que seja e por melhor que esteja sua regulagem, no consegue proporcionar alimentao nessa proporo ideal de mistura. Os sistemas de injeo eletrnica permitem que o motor receba somente o volume de combustvel que ele necessita. Esse controle de mistura feito basicamente por diversos sensores e atuadores. Entre eles h sensores de admisso de ar, controladores de entrada de ar e combustvel, o sensor de oxignio e etc. O sensor de oxignio (Sonda Lambda) detecta continuamente o teor de oxignio no gs de escape e informa a ECU (Unidade de Controle Eletrnico) sobre a condio de mistura ar/combustvel do veculo. A ECU utiliza esta informao para decidir se necessrio alterar a mistura para atingir estreita faixa prxima ao ponto estequiomtrico ( =1). Isto conhecido como controle realimentado (closed-loop), pois o sinal de sada do sensor realimenta o controlador (ECU) que pode ento controlar corretamente o sistema de mistura ar/combustvel, proporcionando uma tima e eficiente converso cataltica e reduzindo em consequncia a emisso de poluentes. O sensor de oxignio tambm pode ser conhecido pelo nome Sonda Lambda, que usada para descrever o volume de ar na mistura ar-combustvel. Em 1976, a inveno e o uso das sondas Lambda transformaram catalisadores no controlados em catalisadores de trs vias controlados. A nova tecnologia obteve sucesso da noite para o dia, primeiro nos EUA e depois na Europa.

Figura 1: Diagrama do funcionamento da sonda de oxignio

Os sistemas de injeo eletrnica possibilitam:

Menor emisso de poluentes; Maior economia; Melhor rendimento do motor; Partidas mais rpidas; Dispensa utilizao do afogador; Melhor aproveitamento do combustvel.

2. Sensor de Oxignio (Sonda Lambda)

Figura 2: Sondas Lambdas

Os sensores de queima de combustvel alm de servirem para economia de combustvel, tambm ajudam a prevenir danos ao veculo, por exemplo: uma mistura pobre pode gerar uma queima prematura na cmara de combusto, o que pode sobreaquecer o motor e danific-lo. Enquanto que uma mistura rica pode danificar o catalizador devido as grandes emisses de hidrocarbonetos e monxidos de carbono.

2.1 Localizao

Figura 3: Sensor de Oxignio Localizado no sistema de exausto de gases

O sensor de oxignio inserido no processo de descarga de gases para ento poder medir a quantidade de oxignio resultante da queima. Sua localizao exata no sistema exaustor pode ter uma localizao varivel, dependendo do tipo de sensor:

2.1.1 Sensor sem resistnciaO sensor sem resistncia normalmente localizado o mais prximo possvel do motor, j que necessria uma temperatura de 300C para que ele opere, buscando ento uma maior absoro de calor provenientes dos gases de escapamento para que a sonda possa funcionar.

2.1.2 Sensor com resistnciaO sensor sem resistncia normalmente localizado antes do catalizador, para que se possa obter a mistura mais estequiomtrica possvel. Dessa forma evita-se o desgaste do catalisador (o que ocorre quando a mistura rica ou pobre).

2.2 Funcionamento

Figura 4: Diagrama do funcionamento da sonda de oxignio

Aps a queima de combustvel, seus gases resultantes tm a sua taxa de oxignio medida pela sonda lambda. Uma parte da sonda fica em contato com os gases e a outra permanece exposta ao ar do ambiente. A sonda compara a quantidade de oxignio nesses dois meios atravs da voltagem gerada por um processo semelhante a uma pilha (usando ons de oxignio). Quando a sonda lambda detecta excesso ou falta de combustvel na mistura, ela envia um sinal para que a unidade de controle regule a quantidade de combustvel injetado no prximo ciclo, funcionando dessa forma em closed-loop (malha fechada) (diagrama acima). No entanto, enquanto a sonda no est em temperatura de funcionamento (300C) a unidade de controle ignora o sinal da sonda lambda e passa a usar a memria para calcular a quantidade de combustvel a ser injetado, funcionando assim em open-loop (malha aberta). H tambm outras condies que fazem com que a unidade trabalhe em open-loop, ignorando o sinal da sonda lambda. So elas: Fase de aquecimento do motor (a sonda ainda no atingiu sua temperatura operacional) Acelerao rpida (enriquecimento proposital da mistura ar/combustvel) Desacelerao (ocorre o corte de injeo na desacelerao, ou cut-off) Plena carga (enriquecimento proposital da mistura ar/combustvel) A sonda est preparada para trabalhar numa variao de tenso entre 0 a 1 volt. Neste caso, a unidade de comando (memria de calibrao) preparada para interpretar da seguinte maneira os valores obtidos pela sonda: Entre 450 a 550 milivolts- mistura prximo do ideal ou relao estequiomtrica; Entre 50 a 450 milivolts- mistura pobre; Entre 550 a 900 milivolts- mistura rica; Abaixo de 50 milivolts - mistura extremamente pobre- grava cdigo de defeito; Acima de 900 milivolts- mistura extremamente rica- grava cdigo de defeito.

Figura 5: Diagrama lambda

Mistura Rica Quando o motor est trabalhando com a mistura rica, pouco oxignio estar presente no cano de escape, pois ter sido consumido para queimar o excesso de combustvel. Assim, poucos ons se agruparo no eletrodo externo, gerando muita difuso de ons de oxignio, e a voltagem gerada ser relativamente alta. Uma mistura rica causa desperdcio de combustvel e pode danificar o catalizador. Mistura Pobre Quando o motor est trabalhando com a mistura pobre, muito oxignio estar presente no cano de escape, pois pouco oxignio ter sido consumido para queimar o combustvel. Assim, muitos ons se agruparo no eletrodo externo, gerando pouca difuso de ons de oxignio, e a voltagem gerada ser relativamente baixa. Uma mistura pobre prejudica o desempenho do motor e pode at causar falhas.

2.2.1 Funcionamento (movimentao Inica)

O fluxo de ons de oxignio pelos eletrodos de platina gera uma tenso eltrica devido diferena de concentrao de oxignio entre os gases de escape e do ar ambiente. Se houver uma pequena diferena de concentrao de oxignio entre o ar ambiente e os gases do escapamento (devido ao baixo consumo de oxignio) haver baixo fluxo de ons pelos eletrodos e ento a tenso eltrica ser prxima de 0V (mistura pobre) e a ECU entender que deve enriquecer a mistura, aumentando o tempo de injeo do combustvel. Quando houver uma grande diferena de concentrao de oxignio entre o ar ambiente e os gases do escapamento (devido ao alto consumo de oxignio na combusto) haver aumento do fluxo de ons pelos eletrodos e ento a tenso eltrica ser prxima de 1V (mistura rica) e a ECU entender que deve empobrecer a mistura, diminuindo o tempo de injeo do combustvel e assim sucessivamente, alternando a tenso eltrica entre 0V e 1V.

2.3 Tipos de SensoresOs sensores so normalmente classificados pelo nmero de fios (e suas funes), de acordo com elemento ativo ou ainda de acordo com a sua banda (estreita ou larga).

2.3.1 Classificao pelo nmero de fios

Figura 6: Fiao de diferentes sensores de oxignio

No mercado nacional comum encontrarmos sensores de oxignio com diferentes nmeros de fios condutores: Sensor com um fio - Conhecido como sonda lambda no aquecida-EGO (Exhaust Gas Oxygen Sensor), seu aquecimento ocorre somente devido ao contato direto do mesmo com os gases de escape. Possui somente o fio de sada do sinal. Seu aterramento feito em sua prpria carcaa. Sensor com trs fios - Conhecido como sonda lambda HEGO (Heated Exhaust Gas Oxygen Sensor). Possui o fio de sada de sinal e os fios de alimentao do resistor de aquecimento. Seu aterramento feito em sua prpria carcaa. Sensor com quatro fios - Conhecido como sonda lambda HEGO (Heated Exhaust Gas Oxygen Sensor). Possui o fio de sada de sinal, os fios de alimentao do resistor de aquecimento e o fio de aterramento do sensor.

Figura 7: Diagrama do Circuito dos Sensores

2.3.2 Classificao pelo elemento ativoCom relao ao elemento ativo, os sensores de oxignio podem ser classificados em dois tipos: Sensor de oxignio de zircnio (ZrO) Sensor de oxignio de titnio (TiO)

Figura 8: Diagrama da sonda de oxignio

Sensor de Oxignio de Zircnio (ZrO) o tipo mais difundido atualmente. constitudo de um elemento de cermica (xido de zircnio); o elemento est recoberto interna e externamente por uma camada de platina que cumpre a funo de eletrodo. A face interna (eletrodo de referncia) est em contato com a atmosfera e a externa com os gases de escape. Acima de 300C, o elemento de cermica se transforma em uma pilha cuja tenso depende da diferena de concentrao de oxignio entre a face interna e externa da sonda.

Sensor de Oxignio de Titnio (TiO) So mais frgeis que as sondas de zircnio e o sinal de sada muito dependente da tenso de alimentao. constituda de material semicondutor (xido de titnio) o qual varia sua resistncia interna em funo da concentrao de oxignio do ambiente em que se encontra. Uma camada de xido de titnio depositada sobre uma plaqueta de cermica aquecida por um circuito impresso resistivo; o perodo de aquecimento de aproximadamente, 15 segundos. No muito comum no mercado nacional.

2.3.3 Classificao pela banda do sensorCom relao ao sinal transmitido temos ainda dois tipos de sensores de oxignio: Sensor de Banda Estreita Sensor de Banda Larga Sensor de Banda Estreita (Narrow Band) Esse tipo de sensor apenas pode informar Unidade de Controle se uma mistura esta rica, estequiomtrica ou pobre, sem informa-la o quanto ela rica ou pobre. Portanto ao realizar a correo de uma mistura que est pobre, a Unidade de Controle pode tornar a mistura rica, gerando o grfico baixo. Sondas dos tipos EGO e HEGO so de banda estreita.

Figura 9: Voltagem medida em um sensor de banda estreita

Sensor de Banda Larga (Wide Band) Esse tipo de sensor pode informar unidade de controle o quanto uma mistura est rica ou pobre, de modo que a correo mais precisa. A leitura desse sensor apresenta uma variao mais suave do sinal de sada e uma voltagem de sada deferente para cada taxa de ar/combustvel em uma faixa maior, o que possibilita o maior controle da taxa de ar/combustvel. Tambm conhecido como UEGO (Universal Exhaust Gas Oxygen), esse sensor costuma ter 5 ou 6 fios e ainda bastante incomum no mercado nacional popular. um sensor mais comum em carros de corrida, j que pode medir o quanto uma mistura est rica (uma acelerao rpida requer certo enriquecimento na mistura, o que pode ser mais precisamente controlado pelo sensor de banda larga). Segue abaixo os grficos da voltagem gerada em relao mistura para fins de comparao:

Figura 10: Comparativo entre os sensores de banda estreita de banda larga

2.3.4 Classificao Planar ou Convencional (Finger)

Figura 11: Sonda Lambda Convencional (Finger)

Convencional (Finger) A sonda lambda convencional possui um maior tempo de aquecimento e pode ter de 1 4 fios. A identificao externa da sonda finger feita pelas aletas presentes na sua grelha de proteo da cermica. Sua resistncia interna, quando existente, normalmente possui de 4 a 6 ohms (com exceo de algumas).

Figura 12: Sonda Lambda Planar

Planar A sonda lambda planar tem um aquecimento mais rpido (8 10 segundos contra 30 50 segundos da sonda lambda finger) devido disposio da resistncia interna e do elemento ativo em camadas, o que lhe garante menor tempo para que possa entrar em funcionamento. Sua resistncia interna normalmente possui de 9 a 10 ohms. A identificao externa da sonda planar feita pelos furos presentes na sua grelha de proteo da cermica. Possui sempre 4 fios.

2.4 Efeitos das alteraes climticas na quantidade de ar admitidoA proporo estequiomtrica ideal para a combusto completa ar/combustvel em kg : Gasolina - 14.7:1 (14,7 partes de ar para 01 de combustvel gasolina). lcool - 9.0:1 (9,0 partes de ar para 01 de combustvel lcool). Diesel -15.2:1 (15,2 partes de ar para 01 de combustvel diesel).

Figura 13: Medidas Estequiomtricas 14,7:1 Gasolina

Efeitos climticos podem afetar a densidade de oxignio no ar, alterando assim a quantidade de volume de ar a ser admitido.

Efeitos da TemperaturaSe a temperatura do ambiente for alta, ento a densidade do ar ser menor, o que causar uma menor quantidade de oxignio por metro cbico de ar. O que far com que a mistura de ar/combustvel se torne mais rica.

Efeitos da AltitudeSe a altitude do ambiente for alta, ento a densidade do ar ser menor, o que causar uma menor quantidade de oxignio por metro cbico de ar. O que far com que a mistura de ar/combustvel se torne mais rica.

Efeitos da Umidade do ArSe a umidade do ar do ambiente for alta, ento a densidade de gua no ar ser maior, o que far com que a densidade do ar seja menor, o faz com que haja uma menor quantidade de oxignio por metro cbico de ar. O que torna a mistura de ar/combustvel se torne mais rica.

3. Evolues dos Sensores

Figura 14: Evolues dos Sensores de Oxignio

1976: O primeiro controle de emisses O desenvolvimento da Sonda Lambda tornou os catalisadores mais eficientes e estveis, o que j reduziu as emisses em 50%. Vida til da sonda: Entre 50000 km e 80000 km 1985: Sondas Lambda aquecidas A instalao da sonda prxima do motor no era mais necessria. O aquecimento permitia que a operao do elemento do sensor fosse de mais de 350C. Vida til da sonda: Entre 100000 km e 160000 km 1985: Controle Funcional constante A extenso da Sonda Lambda para a incluso de uma quarta conexo facilitou seu controle. Quaisquer falhas ou danos podiam ser detectados facilmente. Vida til da sonda: 160000 km 1990: Aquecimento mais rpido A sonda Lambda planar com folhas de cermica de multicamadas atingia sua temperatura operacional duas vezes mais rpido. Isto reduziu as emisses em mais 50% na partida fria, que era uma etapa crtica.

1999: Para gasolina, diesel e gs natural Duas clulas de medio e seis polos eram usados para medio mais precisa das emisses. Pela primeira vez, as sondas planares de banda larga tambm podiam controlar motores a gs natural e diesel. Vida til da sonda: 160000 km 2002: Para gasolina, diesel e gs natural Os veculos modernos requerem vrias Sondas Lambda entre o motor e o escapamento, para garantir o controle ideal do motor e baixas emisses.

4. Outros usos para sensores de oxignioAlm do uso automotivo, sensores de oxignio tambm so usados em outras reas, como a industrial, medicinal, tratamento de efluentes, entre outras.

Indstrias (sensor de oxignio dissolvido)Na parte industrial, pode-se ser usado em cervejarias um sensor de oxignio tico, esse sensor ajuda no processo de aerao do mosto. Sensores pticos tem a vantagem de serem de fcil e rpida manuteno, possibilitando melhor segurana do processo com baixo custo de aquisio.

Tratamento dissolvido)

de

Efluentes

(sensor

de

oxignio

Na rea de tratamento de efluentes, pode-se ser usados sensores de oxignio dissolvido para controle de tanques de aerao, sendo, neste caso, necessrios sensores altamente resistentes a aes qumicas e fsicas.

Fornos em Geral (sensor de oxignio)Como o sensor lambda detecta a quantidade de oxignio que no queimado, ele no afetado pelo tipo de combustvel usado, logo se pode ser usado nos mais variados fornos. Ressalta-se que dependendo do uso, a resistncia fsica e qumica do sensor dever mudar.

5. Falhas Comuns dos SistemasPor se localizar no tubo de escape e prxima ao motor, a sonda lambda est submetida a condies mecnicas, trmicas e qumicas desgastantes: atingida por pancadas, variaes de temperatura, fuligem, gases prejudiciais, queima de leo, etc.. A m qualidade do combustvel outro fator de desgaste precoce da sonda. O teste da sonda lambda deve ser um procedimento regular dos profissionais que procuram oferecer vantagens aos clientes. Por ser uma pea que envolve um funcionamento a altas temperaturas, muitas vezes a inspeo apenas visual falha, pelo fato da pea poder estar funcionando mas parecer desgastada.

Figura 15: Diferenas entre Sondas Lambdas em boas condies e as defeituosas

O intervalo de testes para a sonda lambda recomendada pela fabricante Bosch a cada 30000 km.

Os sensores de oxignio podem ser contaminados pelas substncias qumicas encontradas nos gases de escapes de veculos, e aps sanado o problema no motor ou no combustvel, o sensor deve ser trocado. Segue abaixo as principais contaminaes do sensor de oxignio:

Figura 16: Mistura Rica

Figura 17: Contaminao por Slica

Figura 18: Lquido de Arrefecimento

Figura 19: Alto Consumo de leo

Figura 20: Contaminao por Chumbo

Paradigma Tcnico Quando o sinal do sensor deixa de oscilar rapidamente (fica travado), muitos profissionais substituem o componente. Baseiam-se no fato de que quando um sensor de oxignio est em boas condies de funcionamento o seu sinal deve estar oscilando rapidamente entre aproximadamente 0,100 volts VDC e 0,900 volts VDC. Normalmente cometem um engano, pois o sinal do sensor pode estar, por exemplo, travado em 0,200 volts VDC (mistura pobre) porque a mistura est realmente pobre e a UCE no est conseguindo efetuar o seu ajuste por j ter ultrapassado os seus limites de correo.

6. Principais FabricantesBosch Fabricante de sondas lambdas para uso automotivo e em motos. NGK Fabricante de sondas lambdas para uso automotivo e em motos. MTE-THOMSON Fabricante nacional de sondas lambdas para uso automotivo e em motos.

7. ConclusesO uso do sensor lambda na ignio eletrnica melhora a eficincia de queima de combustvel, o que reduz enormemente a quantidade de CO produzidos, alm de melhorar a durabilidade dos componentes do sistema de combusto e proporcionar economia de combustvel. Essas qualidades compensam enormemente o seu custo, j que no um sensor caro. Alm disso, a sonda lambda pode ser usada para detectar irregularidades no motor, desde que esses proporcionem uma mistura excessivamente rica ou pobre, evitando assim danos maiores.

8. Referncias Bibliogrficashttp://www.alfatest.com.br/noticias/sensores.html http://www.dicasmecanicas.com/2010/05/sonda-lambda-saiba-mais/ http://quatrorodas.abril.com.br/autoservico/reportagens/conteudo_262424.shtml http://pt.wikipedia.org/wiki/Sonda_lambda http://bestcars.uol.com.br/ct/lambda.htm http://www.bosch.com.br/ http://www.ngkntk.com.br/ http://www.kitscar.com.br/ http://www.odginstruments.com.br/ A bblia do carro Manual Bosch Catlogo Bosch Catlogo NTK Catlogo MTE - THOMSON

9. AnexosAnexo 1 - Catlogos de peas Bosch http://www.bosch.com.br/br/autopecas/produtos/injecao/downloads/Cat_Sonda_Lambda_20112012.pdf Anexo 2 - Catlogos de peas MTE THOMSOM http://catlambda.mte-thomson.com.br/ Anexo 3 - Catlogos de peas NTK http://www.ngkntk.com.br/velas/catalogo/sondaLambda2011.pdf