Técnicas - Humberto Manavella

Sonda lambda, Sensor de oxigênio, Sensor de O2, Sensor EGO, Sensor HEGO – Parte 2

Estes nomes revelam um componente que indica a presença de oxigênio nos gases de escape, gerando um sinal que é enviado ao sistema de injeção para controlar a quantidade de combustível consumido no motor

Figura 1

Dando continuidade ao abordado na edição anterior, a presente matéria analisa o funcionamento do Sensor de Relação Ar/Combustível. Seu uso é indispensável nos sistemas de pós-tratamento diesel (Proconve 7) e nos motores de ciclo Otto que funcionam com “combustão de mistura pobre”. Para uma melhor compreensão é recomendável rever os conceitos relativos ao funcionamento das células de medição e de injeção (célula de Nernst) apresentados na edição anterior.

Na literatura, o Sensor de Relação Ar/Combustível é identificado também com a denominação de Sensor de Oxigênio de Banda Larga ou Sensor A/F.

Quando devidamente aquecido, este sensor é um gerador de tensão que apresenta uma curva de resposta quase linear para misturas com fator λ entre 0,75 e 1,5, não apresentando variação brusca para λ = 1. Ou seja, o sinal de saída é proporcional à concentração de O2, ainda que não de forma linear. Com o objetivo de ilustrar as diferentes respostas, a figura 1 mostra as curvas características do sensor de relação e do sensor de oxigênio (sonda Lambda), considerando que o combustível é gasolina, com relação ar/combustível ideal de 14,7:1.

- O sensor de O2 convencional (sonda Lambda) tem uma resposta proporcional, numa faixa estreita da relação ar/combustível, de 14,5 a 15,0; isto, para gasolina pura.

- O sensor de banda larga tem uma resposta proporcional, numa faixa mais ampla de relação ar/combustível (gasolina pura), de 11:1 a 23:1, ou seja, de λ = 0,7 a 1,7, aproximadamente. Permite um controle preciso da mistura com resposta mais rápida. Com isto, durante as acelerações, o sistema permaneça funcionando em malha fechada. Lembrar que nos sistemas que utilizam sonda Lambda, durante as acelerações, o funcionamento é em malha aberta.

Entre as características relevantes do sensor de relação se destacam:

- É indispensável para o controle da relação ar/combustível nos motores que funcionam com mistura pobre e que trabalham na faixa de Lambda superior a 1,3.

- Em função da faixa de relação ar/combustível suportada pelo sensor, a UC consegue manter o controle preciso da mistura, tanto durante o funcionamento normal como sob a condição de mistura pobre.

Os sensores de banda larga analisados a seguir são aqueles atualmente em uso:

- Sensor de Relação Ar/Combustível de 2 células de zircônio e câmara de difusão isolada.

- Sensor de Relação Ar/Combustível de 2 células de zircônio e câmara de difusão aberta.

- Sensor de Relação Ar/Combustível de 1 célula de zircônio.

Na parte 1 foi analisado o comportamento da célula de Nernst, que é o principal componente do sensor de oxigênio de zircônio. Como foi visto, essa célula pode funcionar como um sensor não linear da concentração de oxigênio, ou pode ser utilizada para provocar um fluxo de íons, independentemente da concentração de oxigênio. Na sua utilização no sensor de relação ar/combustível, a célula de Nernst tem as funções de “célula de medição” ou “elemento sensor” e de “célula de injeção de O2” ou “elemento de controle” do sensor. Das funcionalidades apresentadas das células de Nernst, conclui-se:

Assim como uma diferença de concentração de O2, entre o ar ambiente e os gases de escape, produz uma tensão entre os eletrodos da célula, uma tensão aplicada provoca o transporte (injeção) de íons de oxigênio entre os mesmos, gerando uma corrente elétrica. O sentido dessa corrente depende da polaridade da tensão aplicada.

A associação de uma célula de injeção com uma célula de medição, constitui o Sensor de Relação Ar/Combustível ou Sensor de O2 de Banda Larga de 2 células.

Com Câmara de Difusão Isolada - LAF

Externamente, apresenta similaridades com uma sonda λ convencional. A figura 2 mostra a constituição interna.

- O eletrodo externo do sensor 1 ou “célula de medição” está exposto aos gases de escape.

- O eletrodo interno da célula de medição está em contato com “câmara de difusão” e esta, por sua vez, em contato também com o eletrodo externo do sensor 2.

- O eletrodo interno (sinal de controle da célula de injeção) do sensor 2 ou “célula de injeção de O2” está em contato com a atmosfera.

A câmara de difusão está isolada do ar atmosférico e seu conteúdo de oxigênio é controlado pela unidade de comando, através do sinal de controle da célula de injeção.

A UC monitora a tensão do sinal do sensor 1 (sinal da célula de medição), que funciona como uma sonda λ de zircônio convencional, no sentido que a voltagem do sinal reflete a diferença de concentração de O2 entre os gases de escape e a câmara de difusão. A UC mantém esta tensão em torno de 0,45 volts, controlando a concentração de O2 da câmara de difusão, injetando ou retirando íons de O2. A modificação da quantidade de O2, da câmara de difusão, se consegue controlando a tensão do sinal do sensor 2.

Resumindo, a UC trata de manter o sinal da “célula de medição” (sensor 1) em torno de 0,45 volts, controlando a tensão aplicada no terminal de controle da “célula de injeção de O2” (sensor 2). A partir deste valor, a UC determina a concentração de O2 no escape e com isto, a relação ar/combustível da mistura admitida.

- O valor do sinal da célula de tensão é mantido em torno de 0,45 volts

- O valor da tensão de referência é aproximadamente, 2,7 volts

- A tensão do sinal de controle da célula de injeção de oxigênio varia entre 1,7 volts para misturas ricas, e 3,3 volts para misturas pobres.

Figura 2

Com Câmara de Difusão Aberta - WEGO - WRAF

A constituição interna é similar à do sensor LAF. As diferenças residem em que no sensor WEGO:

- A célula de injeção é externa, em contato com os gases de escape.

- A célula de medição (Nernst) é interna, em contato com o ambiente.

- A câmara de difusão está aberta aos gases de escape.

Figura 3

Assim, nesta configuração (fig.3) os gases de escape entram na câmara de difusão através de um pequeno orifício (fig.4). Como no caso anterior, a célula de injeção pode tanto retirar da câmara de difusão, como injetar nela, oxigênio proveniente dos gases de escape. Este processo depende do sentido da corrente Ip. Quando positivo, oxigênio é retirado da câmara; quando negativo, oxigênio é injetado na câmara. Observar que o sentido da corrente Ip é sempre o inverso do fluxo de íons negativos de oxigênio.

Figura 4

O sensor de O2 de banda larga opera em torno de 650OC. Esta alta temperatura favorece a mobilidade dos íons e a reação catalítica (que gera os íons dissociando as moléculas de oxigênio) que se processa na superfície do eletrodo de platina em contato com os gases de escape.

Funcionamento

A figura 3 apresenta um esquemático de conexão do sensor à UC. O controle do sentido e intensidade da corrente Ip é feito por um circuito interno da UC que constantemente compara a tensão Vm, gerada pela célula de medição ou de sensoriamento, com o valor Vref = 0,45V, correspondente à tensão gerada por uma célula de Nernst, para mistura estequiométrica. Ou seja, o circuito de controle da corrente Ip opera de forma a manter a condição estequiométrica dentro da câmara de difusão, independentemente da relação ar/combustível dos gases de escape.

O valor da corrente Ip depende de quão afastada da estequiométrica estiver a mistura admitida. Quanto mais rica ou pobre a mistura, maior será a intensidade da corrente positiva ou negativa.

A operação do conjunto é a seguinte:

- Com gases de escape resultantes da combustão de mistura rica, a câmara de difusão adquire um teor levemente rico; como conseqüência, aumenta a tensão medida pela célula de medição. Na UC, a tensão Vm é comparada com Vref e faz negativo o sentido da corrente Ip, com o objetivo de injetar O2. O oxigênio necessário (escape rico não contém oxigênio) é gerado por uma reação eletroquímica que se processa numa fina camada na superfície do eletrodo de platina (lado do escape) que dissocia o monóxido de carbono (CO) e a água (H2O), resultantes da combustão de mistura rica. O oxigênio injetado reage com o HC e CO presentes na câmara de difusão e restabelece a condição estequiométrica dentro dela.

- Com gases de escape resultantes da combustão de mistura pobre, a câmara de difusão adquire um teor levemente pobre; como conseqüência, diminui a tensão medida pela célula de medição. Na UC, a tensão Vm é comparada com Vref e faz o sentido da corrente Ip positivo com o objetivo de retirar oxigênio da câmara de difusão.

- Com gases de escape resultantes da combustão de mistura estequiométrica. Nesta situação, a tensão Vm é 0,45V, pelo que não há necessidade da injeção ou retirada de oxigênio para manter a câmara na condição estequiométrica. Portanto, Ip = 0.

Observar que o processo acima descrito é contínuo. Ou seja, dentro da câmara, oxigênio é injetado ou retirado na medida em que os gases de escape vão se renovando dentro dela.

Incorporado ao conector de 6 terminais do sensor existe um resistor de calibração (Rcal) utilizado para compensar tolerâncias de fabricação. O seu valor está na faixa de 30 a 300 ohms, e é ajustado individualmente para cada sensor.

Controle do Aquecedor

A UC é responsável, também, pelo controle do aquecedor. A temperatura de operação é um fator importante para o funcionamento e precisão do sensor. É mantida em torno dos 650OC, através de um sinal PWM (ciclo de trabalho variável) com freqüência de 30 Hz.

O mecanismo de controle se baseia em que a resistência interna da célula de medição é inversamente proporcional à temperatura a qual é submetida. Um circuito interno à UC monitora constantemente essa resistência, cujo valor é utilizado para modificar o ciclo de trabalho do sinal PWM. Assim, um aumento no valor de resistência é indicação de diminuição da temperatura. Como resultado, aumenta o ciclo de trabalho do sinal e conseqüentemente, a tensão média aplicada ao aquecedor, o que provoca o retorno da temperatura ao valor nominal de operação.

Sensor de Relação Ar/Combustível de 1 Célula - AFR

Sua constituição é similar à do sensor HEGO, com conector de 4 terminais, mas funciona de forma bastante diferente. As características principais são:

- A temperatura de funcionamento está em torno dos 650OC. Lembrar que a sonda convencional trabalha na faixa de 350OC a 400OC.

- A corrente de saída varia de forma quase linear, em função da concentração de O2 dos gases de escape.

Figura 5

A figura 5 mostra a constituição do sensor AFR. É basicamente, uma célula de zircônio coberta de uma camada de difusão que contribui a limitar a corrente de íons de oxigênio quando aplicada uma tensão entre os eletrodos. Esta camada ajuda também a linearizar, em parte, a relação entre a corrente de íons e a diferença de concentração de oxigênio a ambos os lados da célula.

Figura 6

A figura 6 apresenta um diagrama de blocos com o esquema de conexão do sensor AFR à UC.

Quando entre os terminais do sensor é aplicada uma tensão de 300 mV (diferença entre a tensão de controle e a tensão de referência Vref), a corrente Is é nula.

Interno à unidade de controle, o circuito de detecção, formado pelo resistor Rm e o amplificador A, mede o sentido e intensidade da corrente Is, e gera a tensão Vm, que resulta proporcional à concentração de oxigênio nos gases de escape.

- Com mistura estequiométrica: Is = 0 e a tensão Vm = 3.3V.

- Com misturas ricas (excesso de HC e CO), a corrente Is é negativa e Vm, inferior a 3.3V.

- Com misturas pobres (com excesso de O2), a corrente Is é positiva e Vm, superior a 3.3V.

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