A Sonda Lambda (ART1824)
A inclusão de dispositivos que controlem a emissão de gases em veículos é uma exigência quase que mundial. A tecnologia eletrônica para controlar a emissão parte dos microprocessadores e, evidentemente, termina em sensores que possam detectar exatamente a quantidade de gases poluentes existentes na saída de um escapamento de um motor a combustão interna. O sensor empregado nesta tarefa é denominado "SONDA LAMBDA" e é dele que trataremos neste artigo, analisando seu principio de funcionamento e modo como é usado.
Os motores de combustão interna usados nos automóveis como o nome
sugere, queimam gasolina, ou seja, retiram para seu funcionamento a energia liberada numa reação química de combustão.
O rendimento do motor é máximo quando todo o combustível injetado no
motor é queimado, isto é, todo o combustível se combina com o oxigênio
numa reação química.
O resultado dessa queima é a produção de uma certa quantidade de
gases que são emitidos via escapamento para o meio ambiente, conforme mostra-a figura 1.
Figura 1 – Emissão de gases por um veículo
Na prática, diversos problemas podem surgir com o funcionamento do motor, e a sua própria variação de regime de operação faz com que a combustão não seja completa havendo sobra de oxigênio ou de combustível, ou ainda a produção de substâncias resultantes de uma combinação incompleta do oxigênio com o combustível.
A compensação da quantidade de combustível injetada no motor e do oxigênio de acordo com regime não é simples, pois envolve não apenas o monitoramento rápido e constante dos gases resultantes da emissão, mas também uma ação do circuito que controla os bicos injetores e a própria entrada de ar.
Os microprocessadores têm as características necessárias à escapamento realização desta compensação e controle, assim como os dispositivos ejetores, mas e o caso do sensor de gases?
Nos escapamentos dos veículos automotores atuais encontramos um dispositivo sensor que tem por finalidade justamente fazer o monitoramento constante da quantidade de gases emitidos, verificando que tipo de compensação deve ser feita para termos sempre o mínimo de emissão de gases nocivos e o máximo rendimento do motor.
Este dispositivo, um sensor, é denominado "SONDA LAMBDA".
PORQUE SONDA LAMBDA
Conforme explicamos, o que ocorre no interior de um motor quando ele funciona é uma reação química de combustão. Isto quer dizer que a quantidade de combustível e de comburente deve ser tal que a combinação seja completa.
Dizemos que a reação é completa porque as quantidades de combustível e comburente estão numa relação estequiométrica. (Veja mais no nosso livro Curso de Eletrônica – Eletrônica Automotiva)
Para o caso da água, por exemplo, sabemos que a combustão completa ocorre quando temos 2 g de hidrogênio para cada 16 g de oxigênio.
Para os motores de combustão interna analisados a combustão completa do hidrogênio e do carbono formam as cadeias dos hidrocarbonetos das quais é feita a gasolina, conforme mostra a figura 2.
Fig. 2 - A queima da gasolina (as cadeias CH têm diversos comprimentos na gasolina).
A relação estequiométrica definida para o caso da gasolina é de 14,7 para 1 ou 14,7:1, o que significa que deve ser aplicado ao motor 14,7 centímetros cúbicos de ar para cada centímetro cúbico de combustível.
Se houver mais combustível do que comburente, dizemos que a mistura aplicada ao motor é rica, e se a quantidade de combustível for menor que a de comburente, dizemos que a mistura é pobre.
Os engenheiros automotivos usam uma expressão para definir a mistura, a qual é dada por:
λ. = (ar/combustível)/(ar/combustível estequiométrico)
É fácil perceber que o valor de λ (lambda) será 1 para uma mistura ideal ou estequiométrica; será menor do que 1 para uma mistura rica; e maior que 1 para uma mistura pobre.
O nome correto do sensor é sensor de EGO" (Escape Gas Oxigen), já que ele se baseia na presença ou não do oxigênio excedente no gás do escapamento, mas o nome de SONDA LAMBDA também se popularizou.
Existem alguns dispositivos semicondutores cuja resistência varia em função da quantidade de oxigênio que absorvem.
Como a combustão completa que deve ocorrer num motor em funcionamento perfeito significa a ausência de oxigênio nos gases de escape, estes dispositivos podem ser usados para a finalidade proposta: controle da combustão do motor.
A SONDA LAMBDA consiste num sensor linear ar/combustível que pode fornecer uma saída que varia linearmente conforme a concentração de oxigênio na mistura dos gases de escape.
A função desse sensor é monitorar constantemente a mistura dos gases de escape do motor enviando informações para o microprocessador que
poderá atuar sobre os elementos de admissão de ar e injeção de combustível de modo a manter a mistura estequiométrica para as condições de operação naquele momento.
Na figura 3 temos uma vista em corte de um sensor deste tipo a partir do qual analisaremos o seu princípio de funcionamento.
Figura 3 – Sensor de óxido de zircônio
Os tipos mais comuns de sensores de oxigênio são de óxido de zircônio
(ZrOZ) e de óxido de titânio (TiOQ).
Na figura vemos o aspecto deste tipo de sensor, que funciona da seguinte maneira:
Um pedaço de óxido de zircônio forma o elemento sensível do sensor, sendo dotado de eletrodos finos de platina fixados em suas faces internas.
A parte externa é exposta ao meio ambiente de modo a poder absorver o gás nele existente havendo para isso um recobrimento poroso.
Quando os átomos de oxigênio se ionizam, eles tendem a apresentar dois elétrons em excesso.
O óxido de zircônio tende a atrair estes íons que se acumulam em sua superfície junto aos eletrodos.
Desta forma, na presença deste íon temos uma concentração maior deles nesta face do que na outra, que é exposta ao ar ambiente e serve de referência.
Aparece, assim, no material um campo elétrico cuja orientação e intensidade dependem justamente da diferença de concentração dos íons de oxigênio das duas faces e também da temperatura.
Ligado a um amplificador, a tensão entre os eletrodos que é criada por este campo poderá ser aplicada a um circuito de processamento.
OUTRO TIPO DE SENSOR
Um outro tipo de sensor utilizado para determinar a concentração de oxigênio nos gases dos canos de escape dos veículos é o de óxido de zircônio (ZrO2) estabilizado com óxido de ítrio (YO3), e que é visto em corte na figura 4.
Fig. 4 - Sensor de óxido de Ítrio
O óxido de ítrio é o elemento de difusão que é aquecido por um elemento resistivo.
Em operação, urna tensão é aplicada ao dispositivo para elevar sua temperatura ao ponto de operação.
Ele funciona baseado na difusão de íons através do elemento sensor que, então, passa a apresentar uma resistência dependente de sua concentração.
Na figura 5 temos um circuito típico de aplicação desse sensor em que o elemento amplificador é um amplificador operacional.
Figura 5 – Circuito para o sensor
Aplica-se uma tensão de referência na entrada não inversora de modo que a tensão de saída passe a ser essa tensão de referência multiplicada pelo ganho do circuito.
No circuito de realimentação que determina o ganho, está ligado o sensor.
Dessa forma, a tensão de saída diminui quando a resistência apresentada pelo sensor também diminui, pois o ganho do circuito se torna menor.
Uma curva de resposta do circuito é mostrada na figura 6.
Figura 6 – Curva de resposta do circuito da figura 5
É importante observar que a resistência do sensor é bastante alta, tratando-se portanto de um dispositivo de alta impedância, daí a necessidade de se usar um amplificador operacional neste tipo de aplicação.
A preocupação com a emissão de gases que possam resultar de uma combustão incompleta é cada vez maior em nossos dias por dois motivos.
Um deles é que não se tem o aproveitamento ideal do próprio combustível acarretando um aumento do consumo.
Os veículos além de apresentarem o rendimento máximo, devem ser econômicos, obtendo mais potência por litro de gasolina consumido.
A segunda preocupação é com o próprio meio ambiente.
Uma combustão incompleta faz com que sejam lançados na atmosfera gases nocivos capazes de afetar a saúde humana e o próprio meio ambiente.
A Eletrônica pode ter uma ação decisiva no sentido de se obter o funcionamento ideal dos motores com a ajuda de sensores semelhantes aos
que analisamos e também pelo uso de processadores alimentados com programas que sejam capazes de levar o motor ao ponto de funcionamento ideal independentemente das suas condições de operação.