La sonda lambda: a guardia della purezza

Sebbene un’auto possa funzionare senza sonda lambda, la sua assenza si noterebbe immediatamente. In questo articolo, esamineremo uno dei sensori per auto più antichi che contribuisce a garantire la purezza dell’aria.

Panoramica storica

La sonda ossigeno, nota anche come sonda lambda (dove lambda indica la composizione della miscela aria-carburante indicata dalla lettera greca λ), è un dispositivo elettronico che misura il contenuto di ossigeno (O2) nel gas o nel liquido testato.

La sonda è stata sviluppata da Robert Bosch GmbH alla fine degli anni ’60 sotto la supervisione del Dr. Günter Bauman. L’elemento sensore originale, realizzato in ceramica al biossido di zirconio, aveva la forma di un ditale rivestito con un sottile strato di platino su entrambi i lati, uno a valle e l’altro di riferimento. Il dispositivo era disponibile sia con che senza funzione di riscaldamento. Nel 1990 è stato introdotto sul mercato un sensore planare con riscaldatore incorporato, che ha ridotto notevolmente la massa dell’elemento ceramico. Grazie a ciò, il dispositivo può raggiungere la sua temperatura operativa molto più velocemente, un problema di cui parleremo più dettagliatamente più avanti nell’articolo.Top of Form

Il compito del sensore è quello di misurare la concentrazione di ossigeno nei gas di scarico dei motori delle automobili, calcolare la composizione della miscela aria-carburante e, se necessario, regolarla dinamicamente al fine di garantire il funzionamento ottimale dei catalizzatori. Tipicamente, il sensore di ossigeno genera una tensione di circa 0,9 volt quando la miscela è ricca di carburante e c’è poco ossigeno presente nei gas di scarico.

Principio di funzionamento

I sensori lambda automobilistici sono essenziali per la moderna iniezione elettronica del carburante e il controllo delle emissioni. Essi aiutano a determinare in tempo reale la composizione della miscela aria-carburante nel motore a combustione interna.

Poiché i sensori di ossigeno si trovano nel flusso di scarico, di solito non misurano direttamente il contenuto di aria o carburante all’ingresso del motore, ma anche se lo fanno, possono essere determinati indirettamente.

L’iniezione di carburante controllata dal feedback funziona in quello che è noto come closed loop, ovvero modifica le prestazioni dell’iniettore carburante in funzione dei dati forniti dai sensori in tempo reale, e non nel cosiddetto ad anello aperto, cioè secondo una mappa prestabilita. Oltre al funzionamento efficiente dell’iniezione elettronica del carburante, questa tecnica di controllo delle emissioni riduce la quantità di carburante incombusto e gli ossidi di azoto rilasciati nell’atmosfera.

Il combustibile incombusto è l’inquinamento atmosferico da idrocarburi, mentre gli ossidi di azoto (gas NOx) sono una sostanza che si forma nella camera di combustione a temperature superiori a 1.300 K. Gli ossidi di azoto sono la causa dello smog e delle piogge acide. La prima casa automobilistica a utilizzare questa tecnologia alla fine degli anni ’70, insieme a un convertitore catalitico a tre vie, fu Volvo.

A causa del principio di funzionamento è estremamente importante che la sonda lambda non misuri la concentrazione di ossigeno direttamente, ma piuttosto la differenza tra la quantità di ossigeno nei gas di scarico e quella nell’aria.

In una miscela ricca, che richiede molto ossigeno. L’aumento della richiesta causa un aumento della tensione generata dal sensore, a causa del trasporto di ioni di ossigeno attraverso lo strato del sensore stesso. Una miscela povera provoca bassa tensione perché contiene ossigeno in eccesso.

Le informazioni sulla concentrazione di ossigeno vengono inviate al computer di gestione del motore o all’unità di controllo del motore (ECU), che regola la quantità di carburante iniettata nel motore per compensare l’aria in eccesso o il carburante in eccesso. L’ECU tenta di mantenere uno specifico rapporto aria/carburante interpretando le informazioni ricevute dal sensore di ossigeno.

È un compromesso tra prestazioni, risparmio di carburante ed emissioni, ottenuto nella maggior parte dei casi da un rapporto aria-carburante quasi stechiometrico. Nel caso dei motori ad accensione comandata, esistono tre tipi di emissioni: idrocarburi (che vengono rilasciati quando il carburante non è completamente bruciato, ad esempio durante mancate accensioni o miscele troppo ricche), monossido di carbonio (che è il risultato di un funzionamento a velocità leggermente miscela troppo ricca) e ossidi di azoto (che predominano in una miscela magra). Il guasto di questi sensori, dovuto al normale invecchiamento, all’uso di carburanti con piombo o carburanti contaminati da silicati, può causare danni al convertitore catalitico e costose riparazioni.

L’interferenza con il segnale inviato dalla sonda lambda al computer del motore può essere dannoso per il controllo delle emissioni o addirittura causare danni al veicolo. Quando il motore è sottoposto a un carico leggero (ad esempio, durante un’accelerazione molto dolce oa velocità costante), funziona in anello chiuso. Questo è un circuito di feedback tra l’ECU e il/i sensore/i di ossigeno, attraverso il quale l’ECU regola la quantità di carburante, che si traduce nella risposta appropriata del sensore di ossigeno.

L’effetto del loop è quello di costringere il motore a lavorare alternativamente su una miscela leggermente più magra e leggermente più ricca per mantenere le giuste proporzioni. Per le modifiche che comportano una miscela magra, il risultato sarà un leggero miglioramento dell’efficienza del carburante, a volte con maggiori emissioni di NOx, una temperatura dei gas di scarico molto più elevata e talvolta un leggero aumento della potenza. Ciò a sua volta porterà rapidamente a mancate accensioni e drastiche perdite di potenza, oltre a potenziali danni al motore e al convertitore catalitico con rapporti carburante/aria estremamente bassi.

Per le modifiche che migliorano le prestazioni del veicolo, potrebbe esserci un lieve aumento della potenza fino ad un certo punto, ma a scapito di una diminuzione dell’efficienza del carburante e di un aumento della quantità di idrocarburi incombusti.Inoltre, si potrebbe verificare un significativo aumento della temperatura dei gas di scarico, il quale potrebbe causare il surriscaldamento del catalizzatore.

Il funzionamento prolungato con una miscela ricca può causare danni catastrofici al catalizzatore.

L’ECU controlla anche la fasatura dell’accensione e l’ampiezza dell’impulso degli iniettori di carburante, quindi le modifiche che modificano il funzionamento del motore da troppo magro o troppo ricco possono comportare un consumo di carburante inefficiente se il carburante viene acceso troppo presto o troppo tardi nel ciclo di combustione.

Nonostante tutto, ci sono situazioni in cui la sonda lambda non interferisce con il funzionamento del motore. Quando il motore a combustione interna è sotto carico pesante (ad es. acceleratore completamente aperto), l’uscita del sensore di ossigeno viene ignorata e l’ECU arricchisce automaticamente la miscela per proteggere il motore, poiché è molto più probabile che la mancata accensione sotto carico causi danni.

Questa modalità di funzionamento è chiamata funzionamento ad anello aperto. In questo stato, qualsiasi modifica all’uscita del sensore viene ignorata. Molte auto (ad eccezione di alcuni modelli turbocompressi) ignorano anche gli ingressi del debimetro, altrimenti potrebbero ridurre le prestazioni del motore a causa di una miscela troppo ricca o troppo magra, aumentando così il rischio di danni al motore.

Difetti, date di sostituzione

La vita utile del sensore riscaldato è tipicamente di 160.000 km. I normali depositi si bruciano durante il funzionamento e si verifica un guasto a causa dell’usura del catalizzatore. In questo caso il sensore indica una miscela magra, quindi la centralina arricchisce la miscela, i gas di scarico si arricchiscono di monossido di carbonio e idrocarburi e il consumo di carburante diminuisce.

La benzina con piombo contamina i sensori di ossigeno e i convertitori catalitici. La maggior parte delle sonde lambda tollera la presenza di benzina con piombo, ma questo ne riduce la durata a 24.000 km.

L’olio che fuoriesce dal motore può ricoprire la punta della sonda con un deposito nero untuoso, rendendola insensibile.

Una miscela troppo ricca provoca un deposito di polvere nera sulla sonda. Ciò potrebbe essere dovuto a un sensore difettoso stesso oa un problema altrove nel sistema di alimentazione.

L’applicazione di una tensione esterna ai sensori all’ossido di zirconio, ad esempio controllandoli con alcuni tipi di ohmmetri, può danneggiarli.

I sintomi più comuni di un sensore di ossigeno difettoso sono:

• Spia motore sul cruscotto,
• Aumento delle emissioni,
• Aumento del consumo di carburante,
• Esitazione durante l’accelerazione,
• Jamming quando si cambia velocità,
• Rotazione irregolare.

Fonte:

https://en.wikipedia.org/wiki/Oxygen_sensor#/media/File:Lambda_sond_till_volvo240_etc.jpg

https://en.wikipedia.org/wiki/Oxygen_sensor#/media/File:ZirconiaSensor.svg

https://en.wikipedia.org/wiki/Oxygen_sensor

https://www.nye.hu/jmgt/sites/www.nye.hu.jmgt/files/oktsegedlet/keverekkepzes_Otto_motorokban(oravazlat).pdf

https://www.uti.edu/blog/automotive/o2-sensor