Universidade Federal de Minas Gerais Escola de Engenharia da UFMG
Sistema de Injeção Eletrônica Sensor de Oxigênio (Sonda Lambda)
Professor: José Maria Galvez Belo Horizonte Julho/2011
Equipe: Filipe Lage Garcia 2010017263
Sistema de Injeção Eletrônica – Sensor de Oxigênio Trabalho apresentado para avaliação na disciplina Introdução à Mecatrônica do Curso de Engenharia Mecânica da Escola de Engenharia da Universidade de Minas Gerais. Prof. José Maria Galvez
Sumário: 1. Introdução 2. Sens Sensore oress de de Ox Oxig igên ênio io 2 .1 . Localização 2 .2 . Funcionamento 2.2.1. 2.2 .1. Funcio Funcionam nament entoo (movim (moviment entaçã açãoo iôn iônica ica)) 2 .3 . Tipos de sensores 2.3.1. 2.3 .1. Classi Classific ficação ação pelo pelo núme número ro de fios fios 2.3.2. 2.3 .2. Classi Classific ficação ação pelo pelo ele elemen mento to ativo ativo 2.3.3. 2.3 .3. Classi Classific ficação ação pela pela banda banda do sens sensor or 2.3.4 2.3.4.. Classific Classificação ação Planar ou C Conven onvencional cional (Finger) (Finger) 2.4. 2.4. Efei Efeito toss das das alte altera raçõ ções es cli climá máti tica cass na na qua quant ntid idad adee de de ar ar adm admit itid idoo 3. Evoluç Evolução ão dos dos Sens Sensore oress de Oxigên Oxigênio io 4. Out Outros ros usos usos para para sens sensore oress de oxigê oxigênio nio 5. Falh Falhas as comu comuns ns dos dos sis siste tema mass 6. Prin Princi cipai paiss fabr fabric ican ante tess 7. Conclusão 8. Ref Referê erênci ncias as Biblio Bibliográ gráfic ficas as 9. Anexos
1. Introdução Com a rápida evolução dos motores dos automóveis, o sistema de carburador começou a não conseguir suprir as necessidades dos novos veículos, no que se refere à emissão de gases, economia de combustível, potência, respostas rápidas nas acelerações, etc. Para que o motor tenha um funcionamento suave, econômico e não contamine o meio ambiente, ele necessita receber uma mistura ar/combustível perfeita, em todas as faixas de rotação. Um carburador, por melhor que seja e por melhor que esteja sua regulagem, não consegue proporcionar alimentação nessa proporção ideal de mistura. Os sistemas sistemas de injeção injeção eletrônica permitem permitem que o motor receba somente o volum volumee de combustível que ele necessita. Esse controle de mistura é feito basicamente por diversos sensores e atuadores. Entre eles há sensores de admissão de ar, controladores controladores de entrada de ar e combustível, o sensor de oxigênio e etc. O sensor de oxigênio (Sonda Lambda) detecta continuamente o teor de oxigênio no gás de escape e informa a ECU (Unidade de Controle Eletrônico) sobre a condição de mistura ar/combustível do veículo. A ECU utiliza esta informação para decidir se é necessário alterar a mistur mis turaa para para atingi atingirr est estrei reita ta faixa faixa próxima próxima ao pon ponto to est estequ equiom iométr étrico ico ( =1). =1). Isto Isto é con conhec hecido ido comoo con com contro trole le realim realiment entado ado (close (closed-l d-loop oop), ), poi poiss o sin sinal al de saí saída da do sen sensor sor realim realiment entaa o controlador (ECU) que pode então controlar corretamente o sistema de mistura ar/combustível, proporcionando uma ótima e eficiente conversão catalítica e reduzindo em consequência a emissão de poluentes. O sensor de oxigênio também pode ser conhecido pelo nome “Sonda Lambda”, que é usada para descrever o volume de ar na mistura ar-combustível. Em 19 1976 76,, a inve invenç nção ão e o uso uso da dass sond sondas as La Lamb mbda da tran transf sform ormar aram am cata catalilisa sado dore ress nã nãoo controlados em catalisadores de três 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 oxigênio
Os sistemas de injeção eletrônica possibilitam: • • • • • •
Menor emissão de poluentes; Maior economia; Melhor rendimento do motor; Partidas mais rápidas; Dispensa utilização do afogador; Melhor aproveitamento do combustível.
2. Sensor de Oxigênio (Sonda Lambda)
Figura 2: Sondas Lambdas
Os sens sensor ores es de quei queima ma de comb combus ustí tíve vell além além de serv servir irem em para para econ econom omia ia de combustível, também ajudam a prevenir danos ao veículo, por exemplo: uma mistura pobre pode gerar uma queima prematura na câmara de combustão, o que pode sobreaquecer o motor e danificá-lo. Enquanto que uma mistura rica pode danificar o catalizador devido as grandes emissões de hidrocarbonetos e monóxidos de carbono.
2.1 Localização
Figura 3: Sensor de Oxigênio Localizado no sistema de exaustão de gases
O sensor de oxigênio é inserido no processo de descarga de gases para então poder medir a quantidade de oxigênio resultante da queima. Sua localização exata no sistema exaustor pode ter uma localização variável, dependendo do tipo de sensor:
2.1.1 Sensor sem resistência O sensor sem resistência normalmente é localizado o mais próximo possível do motor, já que é necessária uma temperatura de 300ºC para que ele opere, buscando então uma maior absorção de calor provenientes dos gases de escapamento para que a sonda possa funcionar.
2.1.2 Sensor com resistência O sensor sem resistência resistência normalmente normalmente é localizado localizado antes do catalizado catalizador, r, para que se possa obter a mistura mais estequiométrica possível. Dessa forma evita-se o desgaste do catalisador (o que ocorre quando a mistura é rica ou pobre).
2.2 Funcionamento
Figura 4: Diagrama do funcionamento da sonda de oxigênio
Após a queima de combustível, seus gases resultantes têm a sua taxa de oxigênio 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 oxigênio nesses dois meios através da voltagem gerada por um processo semelhante a uma pilha (usando íons de oxigênio). Quando a sonda lambda detecta excesso ou falta de combustível na mistura, ela envia um sinal para que a unidade de controle regule a quantidade de combustível injetado no próximo ciclo, funcionando dessa forma em closed-loop (malha fechada) (diagrama acima). No entanto, enquanto a sonda não está em temperatura de funcionamento (300ºC) a unidade de controle ignora o sinal da sonda lambda e passa a usar a memória para calcular a quantidade de combustível a ser injetado, funcionando assim em open-loop (malha aberta). Há também outras condições que fazem com que a unidade trabalhe em open-loop, ignorando o sinal da sonda lambda. São elas: Fase de aquecimento do motor (a sonda ainda não atingiu sua temperatura operacional) Aceleração rápida (enriquecimento proposital da mistura ar/combustível) Desaceleração (ocorre o corte de injeção na desaceleração, ou “cut-off”) Plena carga (enriquecimento proposital da mistura ar/combustível) A sonda está preparada para trabalhar numa variação de tensão entre 0 a 1 volt. Neste caso, a unidade de comando (memória de calibração) é preparada para interpretar da seguinte maneira os valores obtidos pela sonda: Entre 450 a 550 milivolts- mistura próximo do ideal ou relação estequiométrica; Entre 50 a 450 milivolts- mistura pobre; Entre 550 a 900 milivolts- mistura rica; Abaixo de 50 milivolts - mistura extremamente pobre- grava código de defeito; Acima de 900 milivolts- mistura extremamente rica- grava código de defeito. • • • •
• • • • •
Figura 5: Diagrama lambda
Mistura Rica Quando o motor está trabalhando com a mistura rica, pouco oxigênio estará presente no cano de escape, pois terá sido consumido para para quei queima marr o exce excess ssoo de comb combus ustí tíve vel.l. Assim, poucos íons se agruparão no eletrodo externo ext erno,, gerand gerandoo mui muita ta difusã difusãoo de íon íonss de oxigênio, e a voltagem gerada será relati relativam vament entee alta. alta. Uma mis mistur turaa rica rica cau causa sa desperdício de combustível e pode danificar o catalizador.
Mistura Pobre Quando o motor está trabalhando com a mistura pobre, muito oxigênio estará presente no cano de escape, pois pouco oxigênio terá sido consumido para queimar o combustível. Assim, muitos íons se agruparão no eletrodo externo, gerando pouca difusão de íons de oxigênio, e a voltagem gerada será rela relatitiva vame ment ntee baix baixa. a. Um Umaa mist mistur uraa pobr pobree prejudica o desempenho do motor e pode até causar falhas.
2.2.1 Funcionamento (movimentação Iônica)
O fluxo de íons de oxigênio pelos eletrodos de platina gera uma tensão elétrica devido à diferença de concentração de oxigênio entre os gases de escape e do ar ambiente. Se houver uma pequena diferença de concentração de oxigênio entre o ar ambiente e os gases do escapa escapamen mento to (devid (devidoo ao bai baixo xo con consum sumoo de oxi oxigên gênio) io) hav haverá erá bai baixo xo fluxo fluxo de íon íonss pel pelos os eletrodos e então a tensão elétrica será próxima de 0V (mistura pobre) e a ECU entenderá que deve enriquecer a mistura, aumentando o tempo de injeção do combustível. Quando houver uma grande diferença de concentração de oxigênio entre o ar ambiente e os gases do escapamento (devido ao alto consumo de oxigênio na combustão) haverá aumento do fluxo de íons pelos eletrodos e então a tensão elétrica será próxima de 1V (mistura rica) e a ECU entenderá que deve empobrecer a mistura, diminuindo o tempo de injeção do combustível e assim sucessivamente, alternando a tensão elétrica entre 0V e 1V.
2.3 Tipos de Sensores Os sensores são normalmente normalmente classificad classificados os pelo número de fios (e suas funções), funções), de acordo com elemento ativo ou ainda de acordo com a sua banda (estreita ou larga).
2.3.1 Classificação pelo número de fios
Figura 6: Fiação de diferentes sensores de oxigênio
No mercad mercadoo nac nacion ional al é com comum um enc encont ontrarm rarmos os sen sensor sores es de oxi oxigên gênio io com com difere diferente ntess números de fios condutores: •
•
•
Sensor com um fio - Conhecido como sonda lambda não 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 saída do sinal. Seu aterramento é feito em sua própria carcaça. Sensor Sensor com três fios - Conhecido Conhecido como sonda lambda HEGO (Heated Exhaust Gas Oxygen Oxygen Sensor). Possui Possui o fio de saída de sinal e os fios de alimentação alimentação do resistor resistor de aquecimento. Seu aterramento é feito em sua própria carcaça. Sensor Sensor com quatro fios - Conhecido Conhecido como sonda lambd lambdaa HEGO (Heated (Heated Exhaust Gas Oxygen Sensor). Possui o fio de saída de sinal, os fios de alimentação do resistor de aquecimento e o fio de aterramento do sensor.
Figura 7: Diagrama do Circuito dos Sensores
2.3.2 Classificação pelo elemento ativo Com relação ao elemento ativo, os sensores de oxigênio podem ser classificados em dois tipos: ● Sens Sensor or de oxi oxigê gêni nio o de zirc zircôn ônio io (ZrO (ZrO²) ²) ● Sens Sensor or de oxig oxigên ênio io de titâ titâni nio o (TiO (TiO²) ²)
Figura 8: Diagrama da sonda de oxigênio
Sensor de Oxigênio de Zircônio (ZrO²) É o tipo mais difundido difundido atualmente atualmente.. É constituí constituído do de um elemento de cerâmica cerâmica (óxido de zircônio); o elemento está recoberto interna e externamente por uma camada de platina que cumpre a função de eletrodo. A face interna (eletrodo de referência) está em contato com a atmosfera e a externa com os gases de escape. Acima de 300ºC, o elemento de cerâmica se transforma em uma pilha cuja tensão depende da diferença diferença de concentraçã concentraçãoo de oxigênio entre a face interna e exte externa rna da sonda.
Sensor de Oxigênio de Titânio (TiO²) São mais frágeis que as sondas de zircônio e o sinal de saída é muito dependente da tensão de alimentação. É constituída de material semicondutor (óxido de titânio) o qual varia sua resistência interna em função da concentração de oxigênio do ambiente em que se encontra. Uma camada de óxido de titânio é depositada sobre uma plaqueta de cerâmica aquecida por um circuito impresso resistivo; o período de aquecimento é de aproximadamente, 15 segundos. Não é muito comum no mercado nacional.
2.3.3 Classificação pela banda do sensor Com relação ao sinal transmitido temos ainda dois tipos de sensores de oxigênio: Sensor de Banda Estreita Sensor de Banda Larga • •
Sensor de Banda Estreita (Narrow Band) Esse tipo de sensor apenas pode informar à Unidade de Controle se uma mistura esta rica, estequiométrica ou pobre, sem informa-la o quanto ela rica ou pobre. Portanto ao realizar a correção de uma mistura mistura que está pobre, a Unidade de Controle Controle pode tornar a mist mistura ura rica, gerando o gráfico baixo. Sondas dos tipos EGO e HEGO são 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 à unidade de controle o quanto uma mistura está rica ou pobre, de modo que a correção é mais precisa. A leitura desse sensor apresenta uma variação variação mais suave do sinal de saída e uma voltagem de saída deferente para cada taxa de ar/c ar/com ombu bust stív ível el em um umaa fa faix ixaa ma maio ior, r, o que que poss possib ibililititaa o ma maio iorr cont contro role le da ta taxa xa de ar/combustível. Também é conhecido como UEGO (Universal Exhaust Gas Oxygen), esse sensor costuma ter 5 ou 6 fios e ainda é bastante incomum no mercado nacional popular. É um sensor mais comum em carros de corrida, já que pode medir o quanto uma mistura está rica (uma (uma acel acelera eraçã çãoo rápi rápida da requ requer er cert certoo en enri riqu quec ecim imen ento to na mist mistur ura, a, o qu quee po pode de ser ser ma mais is precisamente controlado pelo sensor de banda larga). Segue abaixo os gráficos da voltagem gerada em relação à mistura para fins de comparação:
Figura 10: Comparativo entre os sensores de banda estreita de banda larga
2.3.4 Classificação 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 à 4 fios. A identificação externa da sonda finger é feita pelas aletas presentes na sua grelha de proteção da cerâmica. Sua resistência interna, quando existente, normalmente possui de 4 a 6 ohms (com exceção de algumas).
Figura 12: Sonda Lambda Planar
Planar A sonda lambda planar tem um aquecimento mais rápido (8 à 10 segundos contra 30 à 50 segundos da sonda lambda finger) devido à disposição da resistência interna e do elemento ativo em camadas, o que lhe garante menor tempo para que possa entrar em funcionamento. Sua resistência interna normalmente possui de 9 a 10 ohms. A identificação externa da sonda planar é feita pelos furos presentes na sua grelha de proteção da cerâmica. Possui sempre 4 fios.
2.4 Efeitos das alterações climáticas na quantidade de ar admitido A proporção estequiométrica ideal para a combustão completa ar/combustível em kg é: • Gasolina - 14.7:1 (14,7 partes de ar para 01 de combustível gasolina). • 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).
Figura 13: Medidas Estequiométricas 14,7:1 Gasolina
Efeitos climáticos podem afetar a densidade de oxigênio no ar, alterando assim a quantidade de volume de ar a ser admitido.
Efeitos da Temperatura Se a temperatura do ambiente for alta, então a densidade do ar será menor, o que causará uma menor quantidade de oxigênio por metro cúbico de ar. O que fará com que a mistura de ar/combustível se torne mais rica.
Efeitos da Altitude Se a altitude altitude do ambiente for alta, então a densidade do ar será menor, o que causará uma menor quantidade de oxigênio por metro cúbico de ar. O que fará com que a mistura de ar/combustível se torne mais rica.
Efeitos da Umidade do Ar Se a umidade do ar do ambiente for alta, então a densidade de água no ar será maior, o que fará com que a densidade do ar seja menor, o faz com que haja uma menor quantidade de oxigênio por metro cúbico de ar. O que torna a mistura de ar/combustível se torne mais rica.
3. Evoluções dos Sensores
Figura 14: Evoluções dos Sensores de Oxigênio
1976: O primeiro controle de emissões O desenvolvimento da Sonda Lambda tornou os catalisadores mais eficientes e estáveis, o que já reduziu as emissões em 50%. Vida útil da sonda: Entre 50000 km e 80000 km 1985: Sondas Lambda aquecidas A instalação da sonda próxima do motor não era mais necessária. O aquecimento permitia que a operação do elemento do sensor fosse de mais de 350°C. Vida útil da sonda: Entre 100000 km e 160000 km 1985: Controle Funcional constante A extensão da Sonda Lambda para a inclusão de uma quarta conexão facilitou seu controle. Quaisquer falhas ou danos podiam ser detectados facilmente. Vida útil da sonda: 160000 km 1990: Aquecimento mais rápido A sonda Lambda planar com folhas de cerâmica de multicamadas atingia sua temperatura operacional duas vezes mais rápido. Isto reduziu as emissões em mais 50% na partida fria, que era uma etapa crítica.
1999: Para gasolina, diesel e gás natural Duas células de medição e seis polos eram usados para medição mais precisa das emissões. Pela primeira vez, as sondas planares de banda larga também podiam controlar motores a gás natural e diesel. Vida útil da sonda: 160000 km 2002: Para gasolina, diesel e gás natural Os veículos modernos requerem várias Sondas Lambda entre o motor e o escapamento, para garantir o controle ideal do motor e baixas emissões.
4. Outros usos para sensores de oxigênio Além do uso automotivo, sensores de oxigênio também são usados em outras áreas, como a industrial, medicinal, tratamento de efluentes, entre outras.
Indústrias (sensor de oxigênio dissolvido) Na parte industrial, pode-se ser usado em cervejarias um sensor de oxigênio ótico, esse sensor ajuda no processo de aeração do mosto. Sensores ópticos tem a vantagem de serem de fácil e rápida manutenção, manutenção, possibilit possibilitando ando melhor segurança do processo processo com baixo custo de aquisição.
Trat Tratam amen ento to de Eflu Efluen ente tess (sen (senso sorr de ox oxig igên ênio io dissolvido) Na área área de tratam tratament entoo de efluen efluentes tes,, pod pode-s e-see ser usa usados dos sens sensor ores es de oxig oxigên ênio io diss dissol olvi vido do pa para ra cont contro role le de ta tanq nque uess de ae aeraç ração ão,, send sendo, o, ne nest stee caso caso,, ne nece cess ssári ários os sens sensor ores es alta altame ment ntee resistentes a ações químicas e físicas.
Fornos em Geral (sensor de oxigênio) Como o sensor lambda detecta a quantidade de oxigênio que não é queimado, ele não é afetado pelo tipo de combustível usado, logo se pode ser usado nos mais variados fornos fornos.. Ressal Ressaltata-se se que dep depend endend endoo do uso uso,, a resist resistênc ência ia física e química do sensor deverá mudar.
5. Falhas Comuns dos Sistemas Por se localizar no tubo de escape e próxima ao motor, a sonda lambda está submetida a condições mecânicas, térmicas e químicas desgastantes: é atingida por pancadas, variações de temp temper erat atura ura,, fu fulilige gem, m, ga gase sess prej prejud udic icia iais is,, qu quei eima ma de óleo óleo,, et etc. c... A má qu qual alid idad adee do combustível é 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 peça que envolve um funcionamento a altas temperaturas, muitas vezes a inspeção apenas visual é falha, pelo fato da peça poder estar funcionando mas parecer desgastada.
Figura 15: Diferenças entre Sondas Lambdas em boas condições e as defeituosas
O intervalo de testes para a sonda lambda recomendada pela fabricante Bosch é a cada 30000 km.
Os sens sensore oress de oxig oxigên ênio io po pode dem m ser ser cont contam amin inad ados os pe pela lass subs substâ tânc ncia iass qu quím ímic icas as encontradas nos gases de escapes de veículos, e após sanado o problema no motor ou no combustível, o sensor deve ser trocado. Segue abaixo as principais contaminações do sensor de oxigênio:
Figura 16: Mistura Rica
Figura 18: Líquido de Arrefecimento
Figura 20: Contaminação por Chumbo
Figura 17: Contaminação por Sílica
Figura 19: Alto Consumo de Óleo
Paradigma Técnico Quando Quan do o sina sinall do sens sensor or de deix ixaa de osci oscila larr rapi rapida dame ment ntee (fic (ficaa “trav “travad ado” o”), ), mu muititos os profissionais substituem o componente. Baseiam-se no fato de que quando um sensor de oxig oxigên ênio io está está em bo boas as cond condiç içõe õess de fu func ncio iona name ment ntoo o seu seu sina sinall de deve ve esta estarr osci oscila land ndoo rapida rapidamen mente te ent entre re aproxim aproximada adamen mente te 0,1 0,100 00 vol volts ts VDC e 0,9 0,900 00 vol volts ts VDC. VDC. Normal Normalmen mente te cometem um engano, pois o sinal do sensor pode estar, por exemplo, “travado” em 0,200 volts VDC (mistura pobre) porque a mistura está realmente pobre e a UCE não está “conseguindo” efetuar o seu ajuste por já ter ultrapassado os seus limites de correção.
6. Principais Fabricantes Bosch 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. Conclusões O uso do sensor lambda na ignição eletrônica melhora a eficiência de queima de combustível, o que reduz enormemente a quantidade de CO produzidos, além de melhorar a dura du rabi bililida dade de do doss comp compon onen ente tess do sist sistem emaa de comb combus ustã tãoo e prop proporc orcio iona narr econ econom omia ia de combustível. Essas qualidades compensam enormemente o seu custo, já que não é um sensor caro. Além 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. Referências Bibliográficas ht tp:/:///www .al http .alfa fate test st.c .com om.b .brr/n /noti oticia ciass/se /sens nsor ores es.ht .html ml http ht tp:/:///www .di .dica casme smecan canic icas as.co .com m/2 /201 010/ 0/05 05//so sond ndaa-l-lam ambd bdaa-s -sai aiba ba -m -mai aiss/ http ht tp:/:///qua quatror troroda odass.abr .abrilil.c .com om.br /au /auto tose serv rvico ico /r /rep eport ortag agen enss/co /cont nteu eudo do_2 _262 6242 424. 4.shtml shtml http ht tp:/:///pt pt.wi .wikip kiped edia ia .or .orgg/wi /wiki ki/S /Son onda da _la lamb mbda da http ht tp:/:///bes bestcar tcarss.uol .uol..com.b .brr/ct ct/la /lambda mbda .htm http ht tp:/:///ww www w.b .boosch .com.br/ http://www.ngkntk.com.br/ http://www.kitscar.com.br/ http://www.odginstruments.com.br/ • • • • •
A bíblia do carro Manual Bosch Catálogo Bosch Catálogo NTK Catálogo MTE - THOMSON
9. Anexos Anexo 1 - Catálogos de peças Bosch http://www.bosch.com.br/br/autopecas/produtos/injecao/downloads/Cat_Sonda_Lambda_20112012.pdf Anexo 2 - Catálogos de peças MTE – THOMSOM http://catlambda.mte-thomson.com.br/ Anexo 3 - Catálogos de peças NTK http://www.ngkntk.com.br/velas/catalogo/sondaLambda2011.pdf
