Tutto sulle sonde lambda

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1 Tutto sulle sonde lambda Informazione tecnica N 03 Pe r f e z i o n e i n t e g r a t a

2 Indice Introduzione Il principio della misurazione d'ossigeno di confronto Struttura e funzionamento di una sonda lambda Riscaldamento e cablaggio delle sonde Principio base della regolazione lambda Controllo della sonda lambda Il circuito di regolazione chiuso Controllo della sonda lambda Individuazione di errori nella regolazione lambda Controllo della regolazione lambda nel circuito di regolazione aperto Confronto di una nuova sonda lambda con una invecchiata Trasformazione delle sostanze nocive Monitoraggio ed analisi delle condizioni del catalizzatore Difetti tipici delle sonde lambda Autotest Risoluzione dell'autotest

3 Sezione di una sonda lambda Termoresistenza Elemento di contatto per la tensione della sonda Strato conduttore elettrico (-) Strato conduttore elettrico (+) lato Gas di scarico Cavo di collegamento della tensione della sonda con elemento riscaldante Componente isolante Soffietto di protezione Tubo protettivo ceramico Alloggiamento (-) Tubo di scappamento Corpo ceramico Tubo protettivo scanalato Gas di scarico Lato aria Introduzione Per garantire una combustione perfetta della benzina nel motore a ciclo Otto, per ogni chilogrammo di benzina sono richiesti circa 14 kg d'aria, cioè, circa 11 metri cubi. Il rapporto della quantità d'aria realmente richiesta rispetto al fabbisogno d'aria teorico viene denominato valore lambda (simbolo della formula λ). L'indicazione λ=1 significa, dunque, che viene alimentata la quantità d'aria ottimale per la combustione. Tuttavia, qui e da considerare che il motore a ciclo Otto raggiunge la sua potenza massima allo 0 10 % di mancanza d'aria (cioè con λ= fino λ=1,0) e il minimo consumo di carburante viene raggiunto circa al 10% di aria in eccesso (cioè λ 1,1). Nella miscela di carburante/aria, si distingue tra "miscela grassa (con una parte relativamente alta di carburante) e "miscela magra (con una parte relativamente alta d'aria). Nei gas di scarico di una miscela molto grassa, la quantità di monossido di carbonio e idrocarburo è molto alta e cala in proporzione all'aumento del valore lambda. La parte di azoto in una miscela grassa è relativamente bassa e raggiunge il suo valore massimo solo con λ=1. Nella miscela magra, invece, la parte d'aria e con ciò la parte di ossigeno contenuta nel gas di scarico è relativamente alta. In un catalizzatore ottimale la parte di monossido di carbonio viene trasformata tramite ossidazione con ossigeno in diossido di carbonio. Tuttavia, in tal modo per la trasformazione da monossido di azoto in azoto elementare rimarrebbe una quantità insufficiente di CO. La depurazione catalitica dei gas di scarico non è dunque una questione relativa all'utilizzo di un catalizzatore adatto, bensì anche una rispettiva composizione ottimale dei gas di scarico. A tal fine è stato sviluppato il catalizzatore a tre vie. Questo trasforma contemporaneamente monossido di carbonio, idrocarburi e ossidi di azoto all'interno di un reattore. La composizione dei gas di scarico a tal fine richiesta viene ottenuta tramite una preparazione elettronicamente regolata della miscela di carburante/aria. Il presupposto di ciò è una misurazione permanente della parte di ossigeno concentrata nel gas di scarico. Questa misurazione viene eseguita dalla sonda lambda. Il percorso in tal modo rilevato indica la completezza ovvero incompletezza di combustione della miscela di carburante nel motore. La sonda lambda rileva la concentrazione dei gas di scarico tramite una misurazione d ossigeno di confronto: La concentrazione di ossigeno nell'aria esterna viene confrontata con l'ossigeno residuo contenuto nel gas di scarico. Queste differenze vengono trasmesse attraverso un segnale di tensione al controllore. Successivamente il controllore corregge rispettivamente l'accensione e l'iniezione. In seguito al notevole carico delle sonde lambda nel flusso dei gas di scarico, queste sono naturalmente soggette ad una naturale usura. Nelle analisi dei gas di scarico che vengono effettuate in intervalli definiti, si misura la funzione della sonda lambda per localizzare una eventuale usura. Al più tardi dopo un chilometraggio di ca fino km si dovrebbe sostituire la sonda. 3

4 Il principio della misurazione d'ossigeno di confronto La concentrazione di ossigeno nell'aria ambientale normalmente corrisponde al 20,8 %. Questo valore di riferimento viene confrontato con l'ossigeno residuo nella sonda lambda. Se nel flusso dei gas di scarico viene registrata una concentrazione residua di ossigeno pari al 2 % ("miscela magra ), a causa della differenza dall'ossigeno contenuto nell'aria ambientale risulta una tensione di ca. Volt. Gas di scarico Se nel flusso dei gas di scarico è contenuta una concentrazione residua di ossigeno inferiore al 2% ("miscela grassa ), questa differenza maggiore dall'ossigeno esterno si manifesta con una tensione della sonda di ca. Volt. Esempio: residuo O 2 = 2 % L'elettrodo esterno si trova nel flusso dei gas di scarico (residuo O 2 = 2 %) L'elettrodo interno e collegato con l'aria ambientale (O 2 = 20,8 %) Aria ambientale 20,8 % Elettrodo interno V Elettrodo esterno Ossigeno residuo ca. 2 % Il lato esterno dell'elettrodo della sonda lambda è immerso nel flusso dei gas di scarico, mentre la parte interna dell'elettrodo è in contatto con l'aria esterna. Struttura e funzionamento di una sonda lambda La sonda lambda consiste sostanzialmente di un corpo di ceramica speciale, la cui superficie è dotata di elettrodi di platino permeabili al gas. L'azione della sonda si basa su due fattori fisici: Da una parte, il materiale ceramico è poroso e consente in tal modo una diffusione dell'ossigeno contenuto nell'aria, dall'altra, la ceramica diventa conduttiva a temperature di ca. 300 C. In ambedue i lati degli elettrodi viene misurata la concentrazione d'ossigeno dell'aria. Qualora la differenza dovesse presentare valori di grandezza diversa, sugli elettrodi risulterà una tensione elettrica che si muove in un campo di minivolt. Nelle sonde lambda esistono diversi principi di funzionamento: le sonde di ossido di titanio variano la resistenza, mentre le sonde di zirconio variano la tensione. Poiché vengono maggiormente utilizzate queste ultime, vengono descritte più avanti. All'interno di un alloggiamento d'acciaio è introdotta una parte ceramica (ettolitro fisso). La parte esterna del corpo ceramico si trova nel flusso dei gas di scarico, mentre la parte interna è in contatto con l'aria esterna. La migrazione degli elettrodi causa un improvviso incremento della tensione della sonda. Questo sbalzo di tensione viene infine utilizzato come regolazione lambda. Lambda < 1 = miscela grassa U-Lambda ca. Volt mv miscela grassa (mancanza d'aria) miscela magra (eccesso d'aria) Lambda > 1 = miscela magra U-Lambda ca. Volt ,01 0,80 0 1,00 1,10 1,20 Coefficiente d'aria λ

5 Riscaldamento e cablaggio delle sonde Per portare rapidamente la sonda alla temperatura di esercizio dopo l'avviamento del motore, si utilizzano sonde riscaldate. Queste non presentano solo uno, bensì tre fino quattro collegamenti elettrici. Per le sonde dotate di 3 collegamenti elettrici, la massa viene collegata per l'elemento riscaldante. Nelle sonde dotate di quattro collegamenti, la massa di segnale e la massa dell'elemento riscaldante sono separate. In tal modo si evitano anomalie, dovute alla corrosione e a difetti delle guarnizioni nei collegamenti di massa. Sonda lambda con 1 cavo Colore del cavo: nero = segnale per il controllore Sonda lambda con 3 cavi Colori dei cavi: nero = segnale per il controllore 2 bianchi = alimentazione di tensione del riscaldamento della sonda Sonda lambda con 4 cavi Colori dei cavi: nero = segnale per il controllore 2 bianchi = alimentazione di tensione del riscaldamento della sonda grigio = massa Principio base della regolazione lambda Se la sonda lambda segnala al controllore alla presenza di "miscela magra, questo attiva un processo di ingrassaggio. Se la sonda lambda segnala al controllore alla presenza di "miscela grassa, questo attiva un processo di dimagrimento. Affinché la composizione della miscela sia permanentemente contenuta all'interno della finestra lambda (vale a dire nel campo richiesto per garantire un'azione ottimale dei catalizzatori), si prevede l'installazione della sonda lambda prima del catalizzatore all'interno del tubo dei gas di scarico. Essa indica se il coefficiente d'aria lambda è maggiore o inferiore 1, trasmette quest'informazione al controllore che influenza quindi la formazione della miscela nella sua composizione e di conseguenza il coefficiente d aria lambda. Controllore K Formatore di miscela Sonda lambda Aria Flusso dei gas di scarico Catalizzatore 5

6 Controllo della sonda lambda Il circuito di regolazione chiuso Affinché la sonda lambda raggiunga la sua temperatura d'attivazione di ca C, è necessario che sia il motore che la sonda abbiano raggiunto la temperatura di esercizio. Collegare la spina d'accoppiamento della sonda lambda dal controllore, collegare nel mezzo una spina di adattamento adatta e ristabilire di nuovo la connessione con il controllore. La funzione della sonda lambda viene misurata per mezzo di un voltmetro si consiglia di utilizzare un voltmetro con indicatore analogico, poiché qui si possono leggere meglio gli sbalzi di tensione. Con il motore e la sonda a temperatura di esercizio, il voltmetro deve oscillare alternativamente in un campo compreso tra e Volt. Qui viene reso visibile il circuito di regolazione chiuso. Se la tensione sul voltmetro corrisponde a Volt, significa che nel tubo dei gas di scarico si trova una miscela magra e la sonda trasmette al controllore il segnale per aumentare la quantità di grasso. Se invece il nostro voltmetro indica una tensione di Volt, nel tubo dei gas di scarico si trova una miscela grassa, in questo caso la sonda trasmette al controllore il segnale per ridurre la quantità di grasso. aumenta la quantità iniettata miscela grassa il controllore ingrassa la miscela poco O 2 nel gas di scarico I-sonda ~ V Circuito di regolazione chiuso I-sonda ~ V molto O 2 nel gas di scarico il controllore dimagrisce la miscela miscela magra si riduce la quantità iniettata 6

7 La tensione oscilla tra e Volt? In questo caso la sonda è in ordine. Controllo della sonda lambda Il rivestimento di platino della sonda viene progressivamente neutralizzato in seguito ad una usura chimica e termica in proporzione al chilometraggio. Di conseguenza la tensione erogata presenta dei valori di tensione progressivamente più bassi. Se la tensione di riferimento di Volt non viene più superata, il controllore aumenterà in continuazione la quantità di grasso, poiché l'informazione della miscela grassa non viene più trasmessa allo stesso. Può anche verificarsi un guasto del riscaldamento della sonda. La conseguenza è un raggiungimento fortemente ritardato della temperatura d'esercizio e con ciò un guasto della regolazione su vasti campi d'esercizio quali ad esempio brevi tragitti e in folle. Controllore V V sec Individuazione di errori nella regolazione lambda Il controllo elettrico della regolazione lambda avviene in un circuito di regolazione chiuso. Presupposto per il controllo: Il motore deve aver raggiunto la temperatura d'esercizio. La sonda lambda deve aver raggiunto la temperatura d'esercizio (ca. 250 C) e questa informazione deve essere disponibile al controllore. (Attenzione: le termosonde del refrigerante difettose, in particolare in caso di una interruzione, possono provocare notevoli disfunzioni nel controllore quali ad esempio "temperatura del motore sotto 70 C.) È necessario che sia collegato il riscaldamento della sonda, se presente, e che funzioni perfettamente. È richiesto un voltmetro analogico. Procedimento: lasciare riscaldare il motore, staccare la spina d'accoppiamento tra sonda lambda e il controllore, collegare nel mezzo la spina di adattamento. (Il nostro suggerimento: se non è presente un rispettivo adattatore, lo si potrà preparare utilizzando dei tradizionali connettori.) 7

8 Controllo della regolazione lambda nel circuito di regolazione aperto Qualora nell'ambito del controllo della regolazione lambda il circuito di regolatore chiuso dovesse essersi verificato un errore, sarà innanzitutto necessario verificare che siano soddisfatti tutti i presupposti, quali ad esempio il raggiungimento del temperatura del motore, temperatura della sonda, funzionamento della termosonda, ecc. In questo caso è possibile ricorrere ad una inserzione elettrica della grandezza perturbatrice. Qui si alimenta nel controllore una tensione che simula al controllore una miscela magra oppure grassa attraverso una fonte di tensione esterna. Se il controllore e le connessioni dei cavi risultano corretti, il controllore cercherà di variare la miscela secondo i modelli regolati. Questo procedimento può essere facilmente constatato con il misuratore dei gas di scarico o in modo acustico: Durante il processo di ingrassaggio il motore gira con una maggiore concentricità, mentre tende a scossoni durante il dimagrimento. La sonda lambda funzionante varia rispettivamente la tensione. Modello: miscela grassa Il controllore cerca di ridurre il grasso nella miscela. La rotazione del motore diventa eccentrica. La tensione della sonda deve pendolare intorno ad un valore di Volt. Non si registra nessuna variazione della corsa del motore? In questo caso occorre controllare la termosonda, il cablaggio e il controllore. Sostituire i componenti difettosi! Non si registra nessuna variazione della tensione della sonda? La sonda è troppo fredda in questo caso occorre lasciarla riscaldare. L'errore si manifesta ancora con la sonda calda? Allora significa che la sonda è difettosa, il riscaldamento della sonda non funziona più oppure si è verificato un errore di misurazione. In ognuno di questi casi è assolutamente necessario sostituire la sonda! Controllore V V Staccare la spina d'accoppiamento tra la sonda e il controllore. Alimentare nel controllore una tensione di Volt. (Modello: miscela grassa.) 8 Modello: miscela magra I controllore cerca di aumentare la quantità di grasso, la rotazione del motore diventa più concentrica. La tensione della sonda deve corrispondere a ca. Volt. Non si registra nessuna variazione della corsa del motore? In questo caso occorre controllare la termosonda, il cablaggio e il controllore. Sostituire i componenti difettosi! Non si registra nessuna variazione della tensione della sonda? La sonda è troppo fredda in questo caso occorre lasciarla riscaldare. L'errore si manifesta ancora con la sonda calda? Allora significa che la sonda è difettosa, il riscaldamento della sonda non funziona più oppure si è verificato un errore di misurazione. In ognuno di questi casi è assolutamente necessario sostituire la sonda! Viene raggiunta solo una tensione di 0,7 Volt? In questo caso la sonda è invecchiata e deve essere sostituita. Si verifica la presenza di aria falsa? In questo caso l'impianto del gas di scarico non è ermetico. Controllare la tenuta. Controllore V V Alimentare nel controllore una tensione di Volt. (Modello: miscela magra.)

9 Confronto di una nuova sonda lambda con una invecchiata dal punto di vista del riconoscimento della miscela, tempo di risposta e frequenza di regolazione Ampiezza: V sonda invecchiata sonda nuova Non viene raggiunta la misura massima di e quella minima di, non è più il possibile un riconoscimento di miscela grassa/magra. t Tempo di risposta: V sonda invecchiata sonda nuova La sonda reagisce troppo lentamente ai cambiamenti della miscela, non indica più tempestivamente lo stato attuale. t Durata del periodo: V sonda nuova sonda invecchiata La frequenza della sonda è troppo lenta, non è più possibile una regolazione ottimale. t 9

10 Trasformazione delle sostanze nocive La trasformazione delle sostanze nocive avviene all'interno del catalizzatore. Il catalizzatore è una sostanza che provoca una reazione chimica e/o la accelera, senza che ne sia direttamente interessata. Ossidazione = collegamento con ossigeno Riduzione = sottrazione di ossigeno CO (monossido di carbonio) si ossida in CO 2 (diossido di carbonio) HC (idrocarburo) si ossida in H 2 O e CO 2 (acqua e diossido di carbonio) NO x (ossidi di azoto) ridotti N 2 e O 2 (azoto e ossigeno) Affinché si verifichino le spinte di ossigeno, è necessario che la sonda lambda dimagrisca ingrassi La rata di conversione, cioè la quantità di sostanze nocive trasformate, nei catalizzatori moderni corrisponde al %. Sonda lambda CO HC NO x Catalizzatore ceramico H 2 O N 2 CO 2 Monitoraggio ed analisi delle condizioni del catalizzatore Dietro il catalizzatore è applicata una seconda sonda lambda (denominata sonda di monitoraggio o controllo). La sonda di monitoraggio non si distingue sostanzialmente dalla struttura e dalla funzione della sonda di regolazione lambda montata prima del catalizzatore. Ciò significa: Ambedue le sonde erogano in dipendenza della concentrazione di ossigeno residuo una determinata tensione. Poiché durante l'esercizio di un motore regolato con sonde lambda vengono permanentemente eseguite delle correzioni della miscela, per aumentare ossia ridurre il grasso, varia rispettivamente anche la concentrazione residua di ossigeno nei gas di scarico (sbalzi di ossigeno), con la conseguenza di provocare progressivi sbalzi di tensione nelle sonde. Grazie all'elevata capacità di accumulo di ossigeno del nuovo Catalizzatore in ordine catalizzatore, la variazione della concentrazione di ossigeno dopo il catalizzatore viene quasi completamente attenuata. Ciò ha la conseguenza che la sonda di regolazione indica gli sbalzi di ossigeno con rispettivi sbalzi di tensione, mentre la tensione della sonda di monitoraggio nel nuovo catalizzatore rimane quasi costante. In proporzione all'aumento del grado di invecchiamento del catalizzatore si verifica anche un calo della capacità di accumulo di ossigeno, con la conseguenza di una successiva riduzione dell'attenuazione degli sbalzi di ossigeno. Questo processo è misurabile nella sonda di monitoraggio dietro il catalizzatore. In caso di un invecchiamento progredito del catalizzatore, il decorso del segnale è quasi identico nella sonda di monitoraggio al decorso di segnale della sonda di regolazione. Catalizzatore difettoso 10 Sonda lambda Flusso dei gas di scarico sec sec Sonda lambda Flusso dei gas di scarico sec sec Spinte di ossigeno Sonda di monitoraggio/controllo Spinte di ossigeno Sonda di monitoraggio/controllo

11 Difetti tipici delle sonde lambda Le cause più frequenti di difetti delle sonde lambda Diagnosi surriscaldamento invecchiamento chimico aspirazione di aria falsa collegamenti di massa non corretti pessimi contatti di connessione ceramica e metallizzazione distrutti depositi di piombo connessione del cavo lambda interrotto decomposizione del corpo della sonda a causa di residui d'olio Causa temperature oltre 950 C in seguito a disfunzioni di combustione, punto d'accensione errato o tempi delle valvole errati troppi i viaggi a breve tragitto sonda non esattamente montata ossidazione nel tubo del gas di scarico ossidazione nei connettori coppia di serraggio eccessiva della sonda utilizzo sbadato di carburante piombato martoriazione olio non combusto nel motore, p. es. a causa di fascette elastiche e guarnizioni dei gambi delle valvole usurate Che cosa ci svela la condizione del tubo protettivo Oltre al controllo delle linee di collegamento, spine e dell'alloggiamento della sonda, è necessario verificare accuratamente anche il tubo protettivo dell'elemento della sonda sulla presenza di depositi di impurità. I sintomi più importanti: Sintomo Forte accumulo di fuliggine sul tubo protettivo Depositi brillanti sul tubo protettivo Depositi chiari sul tubo protettivo Causa Miscela di carburante/aria troppo grassa, corpo riscaldante della sonda lambda difettoso Impiego di carburante piombato, di conseguenza vengono aggrediti i rivestimenti di platino della sonda lambda ed eventualmente del catalizzatore, con la conseguenza di una loro distruzione Odio nella camera di combustione oppure utilizzo di determinati additivi per carburanti Rimedio Sostituire la sonda, in caso contrario persiste un imminente pericolo di intasamento e con ciò riduzione della velocità di reazione Sostituire assolutamente la sonda, verificare il catalizzatore Sostituire assolutamente la sonda, verificare il catalizzatore, controllare il motore per accertare se vi sono eventuali perdite d'olio forte accumulo di fuliggine sul tubo protettivo depositi chiari montaggio non appropriato Al fine di evitare dei danneggiamenti della sonda lambda all'operazione di montaggio, si raccomanda di rispettare scrupolosamente le coppie di serraggio e utilizzare utensili speciali. 11

12 Autotest 1Tracciare le curve caratteristiche in un catalizzatore intatto. (Sia la sonda che il catalizzatore hanno raggiunto la temperatura di esercizio!) sec sec Flusso dei gas di scarico 2 Come si chiamano le due sonde lambda prima del catalizzatore? dopo il catalizzatore? sonda sonda Denominare i componenti costruttivi della regolazione 3lambda e collegarli quindi tra di loro! 12

13 In una tensione della sonda di Volt la 4miscela corrisponde a 9 Attraverso il segnale della sonda lambda, il controllore del motore rileva progressivamente la composizione dei gas di scarico. In una tensione della sonda di Volt la 5miscela corrisponde a 10 Qual'è 6Quale dei 3 gas trasforma le sostanze nocive del catalizzatore a tre vie in sostanze non nocive? e, se il motore funziona con una combustione palpitante. se dover aumentare o ridurre la quantità di grasso nel miscela di carburante aria. il colore della linea del segnale della sonda lambda? bianco grigio 7 11 In quale ordine di grandezza si trova la rata di conversione in autoveicoli con sistema regolato per la preparazione della miscela e catalizzatore?. nero Che cosa si intende in una finestra λ? % % % 100 % A partire da quale temperatura è possibile garantire un esercizio di regolazione sicuro della sonda lambda? ca. 10 C ca. 800 C 12 Quali Il catalizzatore può funzionare solo in questo campo. In questo campo la trasformazione di tutti le 3 componenti dannose nel gas di scarico in meno dannose è più favorevole. gas sono definiti nocivi? ca. 250 C über 900 C CO CO 2 CH NO X N 2 O 13

14 Risoluzione 1Tracciare le curve caratteristiche in un catalizzatore intatto. (Sia la sonda che il catalizzatore hanno raggiunto la temperatura di esercizio!) sec 2 Come si chiamano le due sonde lambda sec Sonda lambda (sonda di regolazione) Sonda di monitoraggio (sonda di controllo) 3 Denominare i componenti costruttivi della regolazione lambda e collegarli quindi tra di loro! Formatore di miscela Controllore K Sonda lambda 14

15 4 In una tensione della sonda di Volt la miscela corrisponde a... magra, infatti, la concentrazione di ossigeno nel gas di scarico è maggiore. 9 Attraverso il segnale della sonda lambda, il controllore del motore rileva progressivamente la composizione dei gas di scarico. 5 In una tensione della sonda di Volt la miscela corrisponde a... grassa, infatti, la concentrazione di ossigeno nel gas di scarico è inferiore. X 10 Qual'è se il motore funziona con una combustione palpitante. se dover aumentare o ridurre la quantità di grasso nel miscela di carburante aria. il colore della linea del segnale della sonda lambda? Quale dei 3 gas trasforma le sostanze nocive del catalizzatore a tre vie in sostanze non nocive? 6Monossido di carbonio (CO), idrocarburi (HC) e ossidi di azoto (NO X ). X bianco grigio nero 7 11 In quale ordine di grandezza si trova la rata di conversione in autoveicoli con sistema regolato Che cosa si intende in una finestra λ? per la preparazione della miscela e catalizzatore? Il catalizzatore può funzionare solo in % % questo campo. X 8 X % 100 % A partire da quale temperatura è possibile garantire un esercizio di regolazione sicuro della sonda lambda? ab ca. 10 C ca. 250 C ca. 800 C über 900 C X 12 Quali X X In questo campo la trasformazione di tutti le 3 componenti dannose nel gas di scarico in meno dannose è più favorevole. gas sono definiti nocivi? CO CO 2 CH X NO X N 2 O 15

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