Senzor Potențiometric de Oxigen

Pentru ca una din sursele majore de poluare o reprezinta gazele incomplet arse emise de motoare in atmosfera, constructorii au pus la punct sisteme de limitare a emisiilor poluante.

Printre acestea se numara convertoarele catalitice (ceramice sau metalice), amplasate pe tubulatura de evacuare a vehiculelor si sondele de masurare a gazelor arse provenite din motor.

Emisiile puternice de gaze de esapament apar atunci cind carburantul este incomplet ars, motorul este defectuos reglat, cind se porneste sau se opreste motorul sau la deplasarea cu viteza redusa.

In urma cu cca. 25 de ani, in scopul reducerii efectului de poluare al autovehiculelor, constructorii auto au dezvoltat un senzor denumit sonda Lambda - care poate masura cantitatea de oxigen evacuat in urma procesului de ardere al motorului. Aceasta este localizata pe sistemul de evacuare al gazelor, inaintea convertorului catalitic la motorizarile Euro1/2 si inainte si dupa catalizator la motorizarile Euro 3/4.

Sonda Lambda asigura sporirea eficientei catalizatorului, dar si emisii reduse de noxe in atmosfera. In sarcina maxima a motorului, de exemplu la viteza de virf, pentru a mentine viteza, sistemul este dezactivat pentru a preveni saracirea exagerata a amestecului.

Sonda lambda masoara cantitatea de oxigen din gazele evacuate si trimite semnalul catre unitatea de comanda a motorului ECU (Engine Control Unit). Semnalul este utilizat de aceasta pentru a regla exact amestecul aer-combustibil la nivelul optim pentru o eficienta si o durata de viata maxime ale catalizatorului.

Dupa reglajul amestecului aer-combustibil necesar unei arderi cit mai bune, gazele evacuate ajung in asa-numitul "catalizator" unde, intr-adevar, gazele se oxideaza la contactul cu platina si celelalte materiale de reactie. Functionarea defecta a unui motor cu o sonda de O2 (Lambda) defecta determina utilizarea de amestecuri bogate, rezultand un consum marit de benzina, deteriorarea in scurt timp a catalizatorului si uzura prematura a motorului, provocata de excesul de benzina care ajunge in baia de ulei. Prin folosirea unui astfel de echipament se poate ajunge la o reducere a emisiilor de pina la 90%.

Tipuri de sonde Lambda

Exista cinci tipuri de sonde lambda fundamental diferite. În cazul fiecarui tip, sonda variaza în ceea ce priveste designul elementului din ceramica, elementului de încalzire si tubului de protectie, toate acestea afectând functionarea sondei:

1. Sonda lambda neîncălzită

Acesta a fost primul design de sondă lambda, Bosch producându-l din anul 1976.

Se utilizează un element ceramic cu bioxid de zirconiu pentru a genera tensiune într-un mediu cu un conţinut ridicat de gaz (oxigen insuficient).

2. Sonda lambda încălzită

A fost lansată de Bosch în anul 1982 şi funcţionează în acelaşi mod ca sonda neîncălzită, însă în interiorul manşonului se află un element de încălzire special, care aduce senzorul la temperatura de funcţionare în aproximativ 30-60 de secunde.

3. Sonda Planară

A fost lansată de Bosch în anul 1997 şi utilizează tehnologie senzorială din ceramică cu bioxid de zirconiu, însă este amplasat într-o formă mai compactă şi mai plată (de aici şi denumirea).

4. Sonda planară de bandă largă

Este cel mai nou design de senzor de oxigen şi oferă exactitatea sporită necesară pentru a întruni cele mai recente cerinţe privind emisiile. Se utilizează un element ceramic planar cu bioxid de zirconiu, astfel încât se încălzesc mult mai rapid decât alte tipuri de senzori, reducând emisiile în cazul pornirii la rece. Suplimentar, senzorii sunt utilizaţi la motoarele recent dezvoltate cu injecţie directă de carburant.

5. Sonda lambda cu titan

Aceşti senzori utilizează un tip diferit de tehnologie pentru detectarea oxigenului şi, în loc de a genera un semnal de tensiune care se modifică odată cu raportul aer/carburant, se modifică rezistenţa senzorului. Aceşti senzori sunt utilizaţi pe mai puţin de 0,5 % din autovehiculele dotate cu sonda lambda.

În figura 1 se prezintă senzorul de oxigen (sonda lambda), cel mai frecvent utilizat, pentru

controlul motoarelor cu ardere internă funcţionând cu amestec carburant bogat.

Figura 1: Sonda lambda

1 Teacă de protecţie.

2 Element ceramic.

3 Filet.

4 Dulie de contact.

5 Dulie de protecţie.

6 Conectori electrici.

7 Ceramică scăldată de gaze de eşapament.

8 Ceramică scăldată de aer curat

9 Rezistenţă de încălzire.

Sonda lambda este o celulă electrochimică de concentraţie cu electrolit solid şi electrozi de

gaz difuzivi. Se consideră un electrod din platină, ca electrod de referinţă, în contact cu gazul

de referinţă (aer), iar celălalt electrod de platină, ca electrod de lucru, în contact cu gazul de

eşapament (gaz). Aceştia sunt separaţi prin electrolitul solid compus din zirconie stabilizată cu

trioxid de ytriu (YSZ).

Sonda generează un semnal în gol, E, dat de relaţia lui Nernst:

unde: po2 (aer) şi po2 (gaz) reprezintă presiunile parţiale ale oxigenului în aer şi în gazul de eşapament, R=8,314 J/molK constanta universală a gazelor, T(K) temperatura absolută, F=96500 C/mol constanta lui Faraday.

Relaţia exprimă valoarea tensiunii unui senzor de oxigen în condiţii ideale, atunci când în gazul de analizat nu mai există şi alţi compuşi faţă de care electrodul exterior să manifeste proprietăţi catalitice sau care să reacţioneze cu oxigenul din gazul de analizat. Astfel prin măsurarea tensiunii la bornele senzorului, cunoscând presiunea parţială a oxigenului în gazul de referinţă, se poate determina presiunea parţială a oxigenului în gazul de analizat