sonda Lambda - professoreguerra

LAMBDA
Lettera dell'alfabeto greco con la quale in alcune nazioni (tra le quali la Germania) si indica per
convenzione il coefficiente di aria in eccesso relativo alla miscela aria-benzina. Quando la dosatura della
miscela stessa e' corretta dal punto di vista chimico (se il carburante e' la benzina, tale titolo equivale a
14,7 circa), lambda e' uguale a 1. Per miscele ricche si hanno lambda di valore inferiore e per miscele
magre lambda superiori a uno. Quando e' stato messo a punto un sensore in grado di misurare la
quantita' di ossigeno presente in seno ai gas di scarico e di permettere alla centralina elettronica, grazie
alle informazioni da esso fornite, di calcolare la dosatura della miscela aria-carburante (in modo da potere
intervenire sul sistema di alimentazione per mantenere la dosatura stessa sul valore ottimale) si e' deciso
di denominarlo "sonda Lambda". Oggi queste sonde vengono impiegate nelle automobili con marmitta
catalitica trivalente, nelle quali per ottenere una elevata efficienza di conversione (ovverosia per
abbattere nella massima misura gli agenti inquinanti) e' indispensabile mantenere il titolo della miscela
aria-carburante all'interno di una "finestra di dosatura" molto ristretta.
Schema di marmitta catalitica (immagine)
Schema di marmitta catalitica utilizzata sulle vetture del Gruppo Fiat: al centro, in basso, la sonda
Lambda collegata alla centralina elettronica.
La sonda lambda è necessaria per conoscere se i gas di scarico presentano del combustibile incombusto,
per mantenere il rapporto di miscela (kg aria/kg combustibile) entro l'intervallo di efficienza ottimale del
catalizzatore, meglio conosciuto come "lambda 1".
Principio di funzionamento di una sonda lambda
La sonda lambda è in grado di rilevare la concentrazione di ossigeno all'interno dei gas di scarico;
precisamente il valore di lambda, appunto, che sta ad indicare il rapporto tra l'aria e la benzina, dove:
Valore 1, quando la combustione è stechiometrica;
< di 1, quando c'è un eccesso di benzina;
> di 1, quando c'è un eccesso d'aria
La sonda trasmette poi come segnale elettrico alla centralina che regola l'immissione di carburante e aria
all'interno della camera di combustione.
L'uscita della sonda è del tipo bistadio (on/off) dato che il passaggio da una situazione a l'altra avviene in
un arco molto ristretto, per poi rimanere costante a valori più distanti da quello ottimale.
Tipi di sonde
Sonda lambda al diossido di zirconio
La superficie esterna dell'elemento in diossido di zirconio è a diretto contatto con i gas di scarico, mentre
la superficie interna lo è con l'atmosfera. Entrambe le superfici sono rivestite di un sottile strato di
platino. L'ossigeno in forma ionica attraversa lo strato ceramico e carica elettricamente lo strato di platino
che quindi si comporta come un elettrodo: il segnale elettrico che viene generato è raccolto dal cavo di
connessione in uscita dal sensore.
L'elemento in biossido di zirconio diventa permeabile agli ioni di ossigeno alla temperatura di circa 300
°C. Quando la concentrazione dell'ossigeno è diversa sulle due superfici del sensore, viene generata una
tensione grazie alle particolari proprietà fisiche del biossido di zirconio. Con una miscela povera la
tensione del segnale è bassa mentre con una miscela ricca è alta.
Il tipico cambiamento dell'intensità del segnale avviene quando il rapporto aria-benzina è di 14,7 a 1
(14,7 parti di aria verso 1 parte di benzina) e viene chiamato lambda 1. Questo rapporto è considerato
anche indice di completa combustione (da qui il nome di sonda lambda).
Il sistema di controllo della miscela aria-benzina viene pilotato dalla sonda lambda che inizia ad operare
sopra i 300 °C. L'elemento sensibile richiede un certo tempo di riscaldamento e per questo motivo la
maggior parte delle sonde Sonda lambda al diossido di titanio [lambda hanno al loro interno un
riscaldatore in ceramica che riduce sensibilmente il tempo di attivazione.
L'elemento in diossido di titanio non genera una tensione come quello allo zirconio. Nell'elemento in
diossido di titanio la resistenza elettrica varia in rapporto alla concentrazione di ossigeno. A lambda 1
(rapporto stechiometrico) si verifica una significativa variazione della resistenza.
Applicando un opportuno valore di tensione alla sonda al titanio si può misurare una corrente in uscita
che è in relazione con la concentrazione di ossigeno nei gas di scarico. A differenza del tipo allo zirconio,
quello al titanio non richiede aria di riferimento e quindi le dimensioni dell'elemento sensibile sono più
piccole.
Avvertenze
I sensori all'ossido di zirconio ed all'ossido di titanio non sono intercambiabili sia per le dimensioni che per
le differenti strategie di controllo che vengono utilizzate per valutare il segnale del sensore.
Principio di funzionamento di una sonda lambda
Vi sono due tipi di sonde lambda che si differenziano per il tipo di ceramica utilizzata per rilevare la
presenza di ossigeno nei gas di scarico.
Sonda lambda al biossido di zirconio
La superficie esterna dell’elemento in biossido di zirconio è a diretto contatto con i gas di scarico, mentre
la superficie interna lo è con l’atmosfera. Entrambe le superfici sono rivestite di un sottile strato di
platino. L’ossigeno in forma ionica attraversa lo strato ceramico e carica elettricamente lo strato di platino
che quindi si comporta come un elettrodo: il segnale elettrico che viene generato è raccolto dal cavo di
connessione in uscita dal sensore.
L’elemento in biossido di zirconio diventa permeabile agli ioni di ossigeno alla temperatura di circa 300°C.
Quando la concentrazione dell’ossigeno è diversa sulle due superfici del sensore, viene generata una
tensione grazie alle particolari proprietà fisiche del biossido di zirconio. Con miscela povera la tensione del
segnale è bassa mentre con miscela ricca è alta.
Il tipico cambiamento dell’intensità del segnale avviene quando il rapporto aria-benzina è di 14.7 a 1
(14.7 parti di aria verso 1 parte di benzina) e viene chiamato Lambda 1. Questo rapporto è considerato
anche indice di completa combustione e da qui il nome di Sonda Lambda.
Il sistema di controllo della miscela aria-benzina viene pilotato dalla sonda lambda che inizia ad operare
sopra i 300°C. L’elemento sensibile richiede un certo tempo di riscaldamento e per questo motivo la
maggior parte delle sonde lambda hanno al loro interno un riscaldatore in ceramica che riduce
sensibilmente il tempo di attivazione.
Sonda lambda al biossido di titanio
L’elemento in biossido di titanio non produce un voltaggio come quello allo zirconio. Nell’elemento in
biossido di titanio la resistenza elettrica varia in rapporto alla concentrazione di ossigeno. A Lambda 1
(rapporto stechiometrico) si verifica una significativa variazione della resistenza. Applicando un opportuno
valere di tensione alla sonda al titanio si può misurare un voltaggio in uscita che è in relazione con la
concentrazione di ossigeno nei gas di scarico. A differenza del tipo allo zirconio, quello al titanio non
richiede aria di riferimento e quindi le dimensioni dell’elemento sensibile sono più piccole.
L’elemento sensibile, l’elettrodo in platino ed il riscaldatore sono prodotti utilizzando la tecnologia NTK del
film spesso multistrato.
I sensori all’ossido di zirconio ed all’ossido di titanio non sono intercambiabili sia per le dimensioni che per
le differenti strategie di controllo che vengono utilizzate per valutare il segnale del sensore.
Diagnosi per l'officina
Manutenzioni delle sonde lambda
Le sonde lambda sono soggette ad una relativa usura e all’invecchiamento, perciò si consiglia di
controllarne il funzionamento ogni 30.000 km e/o ad ogni verifica emissioni. Eventuali difetti di
funzionamento si manifestano attraverso:
irregolarità di funzionamento del motore
aumento del consumo di benzina
emissioni inquinanti che non vengono mantenute al di sotto dei limiti di legge
Manutenzione in caso di guasti
In presenza di vibrazioni > controllare il supporto
In caso di danni meccanici > sostituire la sonda
In caso di consumo elevato di combustibile > controllare il funzionamento della sonda
In caso di utilizzo di benzina con piombo > sostituire la sonda
In caso di segnale di uscita non regolare misurato con oscilloscopio > sostituire la sonda
In caso di mancanza di segnale > controllare il connettore
Sostituzione delle sonde
La sostituzione deve essere effettuata impiegando sempre sonde complete di connettori originali OE
assemblati in stabilimento.
Attenzione: Ogni veicolo possiede connettori specifici ed ogni sensore è stato definito per questo impiego.
L’utilizzo di sonde universali è vivamente sconsigliato.
Procedura
Controllo del riscaldatore
Staccare il connettore della sonda
Controllare con un multimetro la resistenza tra i due cavi di colore bianco (OZA - biossido di zirconio) o
tra i cavi rossi/bianchi oppure grigi/bianchi (OTA - biossido di titanio). Se la resistenza è maggiore di 30
W la sonda lambda deve essere sostituita.
Attenzione: Si raccomanda vivamente di evitare l’utilizzo di dispositivi quali rubacorrente o altri che
possono forare o danneggiare l’isolamento dei cavi.
La marmitta catalitica
E’ un oggetto alquanto misterioso e costoso che a partire dal 1992 ha rivoluzionato la vita di noi
automobilisti.
Fino ad allora la stragrande maggioranza delle auto avevano ancora il carburatore, usavano super, col piombo,
a 100 ottani e se si scassavano era facile ripararle, l’elettronica era poca e semplice. Poi la parola VERDE, che
in tutto il mondo fa magicamente diventare innocue le peggiori fregature, colpì ancora.
Basta super col piombo, ci vuole la benzina verde, ci vuole il catalizzatore!
Da dove veniva questo piombo?
Da molto lontano nel tempo nel 1921 un ricercatore della General Motors, Thomas Midgeley jr. scoprì a Dayton
(Ohio), che l'aggiunta di piombo Tetraetile alla benzina era l'aiuto che ci voleva per aumentare i rapporti di
compressione e far girare più in alto, quindi più potenza, i motori. Detto fatto la Standard Oil (la casa madre
della Esso) iniziò ad additivare la benzina col piombo, i motori non picchiarono più in testa e tutti furono felici e
contenti, tranne l'ambiente che iniziò a inquinarsi di piombo.
All’inizio degli anni ’90 qualche burocrate stabilì che era ora di cambiare sull’inquinamento, e iniziò a inseguire
pedissequamente il “Clean air act” della California, basta piombo, viva la benzina VERDE, marmitte catalitiche
per tutti, via il piombo, sostituiamolo col … Benzene!!!!! E poi con il… metil-terziar-butil-etere (MTBE) e
etil-terziar-butil-etere (ETBE).
L'uso di MTBE è stato recentemente bandito negli Stati Uniti per l'effetto fortemente inquinante per le falde
acquifere e in quanto cancerogeno (dalla padella del piombo alla brace dei catalizzatori). L'ETBE viene preso
ultimamente in maggiore considerazione in quanto parzialmente proveniente da fonte rinnovabile. Esso consiste
infatti in un prodotto di reazione tra isobutilene e etanolo, che può esser di origine agricola.
Il resto da Euro 1 a Euro 4 e delle loro limitazioni è storia nota.
Anzitutto cosa è un catalizzatore?
E' un dispositivo che viene installato nel primo tratto del sistema di scarico subito dopo il collettore, e che e' in
grado di portare a valori bassissimi la quantità di sostanze inquinanti (ossido di carbonio, idrocarburi e ossidi di
azoto) presenti in seno ai gas combusti. Le marmitte catalitiche sono di tre tipi:
1.
ossidanti: possono solo limitare le emissioni di ossido di carbonio e di idrocarburi, trasformando questi
gas in acqua e in anidride carbonica;
2.
riducenti: scindono invece gli ossidi di azoto in ossigeno più azoto;
3.
trivalenti: svolgono sia la funzione ossidante che quella riducente.
Una tipica marmitta catalitica e' costituita da un involucro, in acciaio inox all'interno del quale e' collocato un
supporto poroso (monolite ceramico a celle passanti o supporto in lamiera di acciaio fittamente pieghettata e
avvolta) sul quale viene depositato uno strato di wash-coat (un particolare tipo di ceramica in genere a base
di allumina estremamente poroso, in grado di far aumentare la superficie esposta ai gas fino a 20.000 mq) che
con la sua superficie fittamente "frastagliata" aumenta ancora la superficie che viene lambita dai gas, pur
mantenendo un minimo, ingombro esterno. Sulla superficie del wash-coat e' incorporata una miriade di
particelle di catalizzatore (in genere Platino-Rodio-Palladio).
foto 1
Affinché la marmitta catalitica trivalente abbia un elevato rendimento, ovvero per avere una elevata
efficienza di conversione (superiore al 90%), e' indispensabile che il motore sia alimentato con una
miscela aria-benzina avente un titolo controllato con la massima accuratezza al fine di mantenerlo
all'interno di una ristretta finestra chiamata “rapporto stechiometrico”.
Per questo motivo si impiega una sonda Lambda collegata alla centralina che gestisce l'iniezione e che
legge in tempo reale l’ossigeno in uscita, permettendo alla centralina di dosare istante per istante la
benzina in funzione di temperatura aria, acqua di raffreddamento, posizione pedale acceleratore ecc.
Poiché la marmitta catalitica entri in funzione la sua temperatura deve superare i 250°/280°C circa.
Subito dopo una partenza a freddo quindi vi e' un certo periodo (qualche minuto) durante il quale la marmitta
non è in grado di funzionare a dovere. Per questo motivo i costruttori lavorano sempre per ridurre il periodo in
questione e raggiungere più velocemente possibile il "light-off" (punto di entrata in funzione del catalizzatore).
I nemici delle marmitte catalitiche sono principalmente due: il surriscaldamento e l'avvelenamento.
Quest'ultimo e' fondamentalmente causato dai composti a base di piombo, ma anche dal fosforo e lo zinco dei
lubrificanti, pertanto si è lavorato molto sui consumi di olio dei motori. Dunque e' assolutamente
fondamentale che le automobili con marmitta catalitica siamo alimentate esclusivamente con
benzina “verde" (priva appunto di additivi a base di piombo). In foto 2 è visibile schematicamente quello che
arriva dal motore e quello che esce.
Per evitare il surriscaldamento è fondamentale che non vi siano mancate accensioni (Misfiring) altrimenti al
catalizzatore arriva benzina in eccesso che bruciando dentro allo stesso lo rovinerebbe: per questo se l’auto
non parte per batteria a terra è assolutamente sconsigliato metterla in moto a spinta, occorre una
seconda batteria. Per evitare il misfiring sono state messe a punto candele la cui vita media è superiore a
30.000 Km.
Tutto molto bello e tecnologico.
Resta però il problema di smaltire queste marmitte a fine vita. E resta pure il fatto che invece del piombo
abbiamo tra i piedi benzene e derivati, che forse sono anche peggio del piombo.
foto