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SISTEMA DE CONTROLE DE PROCESSOS UTILIZANDO SONDA LAMBDA

Ederson Luis Posselt, Eloy Metz

edersonlp@yahoo.com.br, eloy@softersul.com.br

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

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM SISTEMAS E

PROCESSOS INDUSTRIAIS

Fundamentos de Instrumentação para Controle de Processos

ARTIGO

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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, comportando-

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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/lambda-

sensor.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.