PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SISTEMAS E
PROCESSOS INDUSTRIAIS
Fundamentos de Instrumentação para Controle de Processos
ARTIGO
SISTEMA DE CONTROLE DE PROCESSOS UTILIZANDO SONDA LAMBDA
Ederson Luis Posselt, Eloy Metz
[email protected], [email protected]
1. Introdução
Esta atividade teve como objetivo o aprofundamento no sensor lambda ou sensor de oxigênio. Este
equipamento é largamente utilizado na indústria automobilística, na instalação do sistema de exaustão,
bem como para a determinação da mistura de ar e combustível.
A necessidade de criação desta nova tecnologia como forma de reduzir a emissão de poluentes
estabelecida inicialmente pela Europa e EUA, fez com que fosse desenvolvido o sistema de injeção
eletrônica que substituiria o sistema a carburador. Com a injeção eletrônica é possível determinar o nível
das misturas de ar e combustível, baseado na informação obtida do sensor lambda (CARBUREL, 2008).
A sonda lambda não influencia apenas na redução da emissão de poluentes no meio ambiente, ela
também garante uma maior potência do motor, economia de combustível e aumenta a vida útil do
catalisador (BOSCH, 2001).
A sonda lambda foi desenvolvida pela empresa Bosch em 1976 e atualmente pode ser reconhecida
pelas seguintes siglas: EGO (sonda não aquecida), HEGO (sonda aquecida quando de 4 fios, onde o sinal
está ligado a carcaça da sonda), ISO HEGO (4 fios, sinal isolado da carcaça, resultando em menos ruído
na informação), HO2S ( Padrão OBD II, norma SAE J1930) e UEGO (Sensor universal de ar/
combustível) (ALFATEST, 2009). Na figura 1 é possível perceber o diferencial entre os tipos de sonda
lambdas EGO e HEGO.
Figura 1 - Ilustrações das sondas lambda EGO, HEGO com 3 e 4 fios
Nas próximas seções serão apresentados os tipos de sondas lambdas presentes no mercado, uma breve
explicação da aplicação da sonda lambda em um sistema de injeção eletrônica, formas de testar e validar
o efetivo funcionamento de uma sonda lambda, outras utilizações da sonda lambda além da automotiva e
por último as considerações sobre o trabalho.
2. Princípios de funcionamento
Através de um sinal elétrico a sonda lambda informa a unidade de comando sobre a quantidade de
oxigênio resultante da queima do combustível. O sinal recebido pela unidade de comando permite ao
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sistema realizar ajustes na mistura ar/ combustível de forma a potencializar o desempenho do veículo e
reduzir a emissão de gases poluentes (BOSCH, 2001).
Na Figura 2 é possível observar o gráfico da curva característica de uma sonda lambda, o fato mais
importante a ser observado nessa imagem é a seguinte relação: misturas pobres indicam maior
concentração de oxigênio presente na combustão e retorna a unidade de controle uma menor voltagem
para indicar esse fenômeno, essa é a situação desejada. O contrário acontece com as misturas ricas, que
apresentam baixo nível de oxigênio presentes no resultado da combustão (LIMA, 2009).
Figura 2 - Curva característica da voltagem de uma sonda lambda
A Figura 3 exibe em minúcias os componentes de uma sonda lambda de zircônio. O princípio básico
de funcionamento é a diferença no teor de oxigênio dos dois lados, o interno no sistema de exaustão e o
lado exposto ao ambiente. Observando a figura, fica explícito que apenas uma pequena parte da sonda
fica no sistema de exaustão do veículo, sendo a rosca o ponto de instalação da mesma. Nos próximos
tópicos serão analisados os tipos de sonda existentes e os seus funcionamentos.
Figura 3 - Estrutura da sonda lambda
Os sensores de oxigênio podem ser divididos em dois grupos, conforme o elemento ativo: zircônio ou
titânio.
O sensor lambda de zircônio é o mais difundido atualmente. Utiliza-se de material cerâmico poroso
que, em altas temperaturas torna-se condutor. Esse fato permite a difusão do oxigênio do ar (BOSCH,
2001). Em temperaturas acima de 300 °C, o sistema gera uma tensão entre 0 e 1V dependendo da
concentração de oxigênio no lado interno e externo.
A curva de calibração do sistema obedece a regra de que, se a concentração de gases for menor do que
0,3%, o sinal de saída será maior que 0,8 volts, e para concentrações de gases superiores a 0,5% o sinal é
menor que 0,2 volts. Com a temperatura inferior a 300 °C a sonda lambda está inoperante, comportando2
se conforme um circuito aberto. Para indicar a inoperância da sonda, são adotadas medidas fixas de saída.
Nos sistemas EEC-IV, o valor de saída é 0 volts e nos sistemas atuais é adotado o valor de 0,45 volts
(ALFATEST, 2009).
Basicamente existem dois grupos de sondas lambdas de zircônio, com aquecimento e sem. As sondas
lambdas com aquecimento, possuem um resistor PTC interno, o que faz com que a sonda lambda se torne
operante rapidamente. A sonda lambda aquecida pode ser de 3 ou 4 fios, a de 3 fios, possui dois fios para
a alimentação da resistência e um para o sinal, sendo o retorno ligado a carcaça do chassi. A de 4 fios
possui 2 fios para a alimentação da resistência, um para sinal e outro para o retorno, esse sistema é isolado
da carcaça do veículo. As sondas lambdas sem aquecimento, possuem apenas um fio, utilizado para o
sinal. O funcionamento das sondas lambdas sem aquecimento depende da temperatura dos gases do
escape do veículo. A grande desvantagem deste sistema é o tempo para a sonda entrar em funcionamento
(IBEDEM). A Figura 4 exibe o sinal da sonda lambda de zircônio (PICO, 2009).
Figura 4 - Sinal de emitido pela sonda lambda de zircônio.
Sondas lambdas de titânio são mais frágeis que as sondas de zircônio, pois o sinal de saída depende da
tensão de alimentação. A variação da resistência interna ocorre em função da concentração de oxigênio,
devido a propriedade do material utilizado, ou seja, oxido de titânio. O tempo de aquecimento do sistema
ocorre em aproximadamente 15 segundos. A presença de oxigênio determina a passagem de elétrons pela
camada de titânio, modificando a resistência do material. O sinal enviado a unidade de comando é a
alteração na resistência e não uma tensão como nas sondas de zircônio. As sondas de titânio estão sendo
substituídas pelas de zircônio devido a fragilidade e precisão (IBIDEM). Na Figura 5 é possível visualizar
o sinal de saída da sonda lambda de titânio (PICO, 2009).
Figura 5 - Sinal emitido pela sonda lambda de titânio.
Na Figura 2 é apresentado o sensor LAF (Lean Air Fuel Sensor), esse sensor é composto de dois
sensores lambda que operam em conjunto. Esse sistema apresenta algumas vantagens em relação as
sondas apresentadas anteriormente, sendo elas: durante as acelerações, o sistema permanece funcionando
em malha fechada apresentando uma curva de tensão quase linear, não proporciona variação brusca de
tensão, e propicia controle mais preciso e gradual da mistura e resposta mais rápida.
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Figura 6 - Sensor LAF
3. Fluxograma de funcionamento do sistema de injeção eletrônica com sonda lambda
A figura abaixo, extraída do manual da Bosch, ilustra o fluxo completo de um sistema de injeção
eletrônica. Neste fluxograma é possível observar a importância da sonda lambda no processo. Cada um
dos componentes que compõem o processo está identificado na figura, abaixo segue a descrição de cada
componente:
1) Acelerador eletrônico: conforme a pressão exercida, o motor recebe o toque desejado;
2) Sonda lambda: responsável por informar a unidade de comando, o nível de oxigênio resultante da
combustão;
3) Unidade de comando: após receber a informação do acelerador e da sonda lambda, a unidade de
comando determina a mistura de ar/combustível;
4) Módulo de fornecimento de combustível: após receber a determinação da unidade de comando
envia a quantidade de combustível para o sistema.
5) Válvula injetora: determina quanto e quando combustível será injetado em cada cilindro.
6) Corpo da borboleta: quando acionado pela unidade de comando, estabelece-se a relação ar/
combustível;
7) Sistema de ignição: determina qual o avanço para produção da faísca no momento e quantidade
correta;
Figura 7 - Fluxo de funcionamento Injeção eletrônica
4. Como testar e validar o funcionamento de uma sonda lambda de zircônio
O procedimento de teste a ser demonstrado a seguir é baseado em sonda lambda HEGO, utilizada em
sistemas de injeção eletrônica Motronic MP 9.0 e IAW 1AVS que equipam os veículos Gol MI 1000 8V e
Gol/Parati MI 1000 16V. Para outros sistemas pode haver outras considerações (DOUTOR-IE, 2009).
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Antes de iniciar qualquer procedimento faz-se necessário checar o nível da bateria, para tanto, é
fundamental que esta possua uma carga razoável. Visualizando a figura abaixo, podemos reparar que ela
nos indica os três próximos testes, sendo eles:
1) Checar se a carcaça está com carga negativa. Se a carcaça não estiver com carga negativa, é
sugerida a sua remoção e a limpeza da rosca e da carcaça, tal fato pode indicar um possível
problema de aterramento.
2) Verificar se o cabo que conecta ao pino 15 da Unidade de Controle eletrônico (UCE) está com
polaridade negativa. Caso a polaridade não esteja negativa, é necessário conferir o cabeamento, se,
por conseguinte o mesmo não apresentar intercorrência, substitui-se a UCE.
3) Verificar a resistência elétrica entre os fios brancos, fios da resistência. Em temperatura ambiente a
resistência deve estar entre 3 e 9 OHMs. Caso não esteja nesta faixa, é necessário substituir a
sonda.
Figura 8- Seqüência de testes de uma sonda lambda.
4) Com o motor em funcionamento, verificar a polaridade do fio branco ligado ao fio preto e
vermelho, e se o aquecimento da sonda lambda está positivamente polarizado. Caso essa não
esteja, é necessário verificar o fusível e a fiação.
5) Mantendo o motor em funcionamento, testar o outro fio branco do aquecimento, este deve estar
polarizado negativamente. Caso não esteja, é necessário verificar o fusível e fiação.
6) Com o motor desligado e a ignição ligada, conectar o cabo na UCE e verificar a voltagem do cabo
proximal. A voltagem medida deve estar entre 0,350 e 0,550 volts. Caso não esteja, verificar
inicialmente um possível mau contato e a interrupção do fio.
7) Dar partida no motor até desligar a ventoinha pela segunda vez, esse será o tempo para o
aquecimento da sonda lambda. Após, medir a voltagem no fio preto, a voltagem deve variar entre
0,100 e 0,900 volts pelo menos duas vezes por segundo. Sempre lembrando que, com o motor frio
a variação intermédia estabelece-se entre 0,350 e 0,550 volts, sem grandes inconstâncias.
Acelerando o veículo, a voltagem deve permanecer entre 0,700 e 1,000 volts. Caso a pressão se
mantenha sempre abaixo de 0,450 volts, trata-se de uma mistura pobre e vários itens devem ser
checados, como: válvulas injetoras inoperantes, combustível de má qualidade, limpeza no corpo da
borboleta, correia dentada fora do ponto, entre outros. Se a voltagem sempre estiver acima de
0,450 volts, trata-se de mistura rica e os seguintes itens devem ser checados: filtros de ar, cabos de
vela, válvulas presas, catalisador obstruído, combustível de má qualidade, entre outros. Caso não
seja nenhum dos casos, é necessária a substituição da sonda lambda.
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Figura 9-Seqüência de testes de uma sonda lambda.
5. Outras aplicações para sonda lambda
Conforme LIMA é possível efetivar a construção de um monitorador de combustão industrial com a
utilização de uma sonda lambda automotiva. A proposta ocorre em função dos altos custos de monitores
de combustão industriais atuais, que variam na faixa de R$ 5.000,00 a R$ 50.000,00, sem contar os custos
de manutenções periódicas necessárias nestes equipamentos.
Para comprovar a eficiência do projeto foi montada uma câmara de combustão e instalado a sonda
lambda. Depois de realizadas as medidas da concentração de oxigênio presente nas combustões e
comparadas aos monitoradores atuais foi constatado um desvio na faixa de 10%.
Um dos problemas apresentados pelo projeto desenvolvido por Lima, é o tempo de aquecimento da
sonda Lambda no qual encontrava-se em aproximadamente 10 minutos.
6. Considerações Finais
Com o desenvolvimento deste projeto foi possível observar a importância da sonda lambda e os
benefícios que este sensor gera. Vale a ressalva que muitos pesquisadores irão fomentar pesquisas sobre o
equipamento em questão para adaptá-lo em outras circunstâncias, como foi o caso do projeto do Lima.
Essas pesquisas tendem a ocorrer devido ao baixo custo das sondas lambda e pelo fato de estarem
extremamente homologadas.
7. Referências
CARBUREL. Sonda Lambda. Disponível em: <www.carburel.com.br/dicas/sonda_lambda.htm>.
Acessado em: Abr. 2009.
BOSCH; Sonda Lambda Bosch, o máximo de desempenho. Disponível em: <
http://www.bosch.com.br/br/autopecas/servicos/downloads/folhetos/fol_injecao_sondas_2001.pdf>.
Acessado em: Abr. 2009.
MANUAL BOSCH; Super profissionais Bosch, programa exclusivo de atualização em tecnologia
mundial.
ALFATEST. Sensores de oxigênio. .Disponível em: <http://www.alfatest.com.br/ noticias/
sensores.html>. Acessado em: Abr. 2009
DOUTOR-IE. Sensor de oxigênio (sonda lambda) Disponivel em: <http://www.injetronic.com.br/dicas
/dica.php?dica=68>. Acessado em: Maio 2009.
PICO. All about lambda sensor. Disponível em:<http://www.picoauto.com/applications/lambdasensor.html>. Acessado em: Maio 2009.
LIMA, Lutero; et all. Construção e avaliação de um monitor de combustão industrial. Disponível em:
<http://www.unifor.br/notitia/file/1306.pdf>. Acessado em: Maio de 2009.
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