Funzionamento della sonda lambda
Sonda lambda
La sonda lambda rileva il contenuto di ossigeno residuo nel gas di scarico inviando alla centralina del motore un segnale elettrico per la regolazione della composizione della miscela. Consultate questa pagina per ottenere informazioni sulle varianti, sul funzionamento, sui metodi di controllo e sulle avvertenze importanti per la sostituzione a regola d'arte delle sonde lambda.
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Le informazioni tecniche e i suggerimenti pratici riportati di seguito sono stati redatti da HELLA per offrire un'assistenza professionale alle officine. Le informazioni contenute in questo sito web devono essere utilizzate esclusivamente da personale tecnico specializzato.
INDICE
FUNZIONAMENTO DELLA SONDA LAMBDA: PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
Per ottenere un tasso di conversione ideale del catalizzatore, è necessario raggiungere una combustione ottimale. In un motore a benzina ciò si ottiene con un rapporto aria-combustibile pari a 14,7 kg di aria per 1 kg di carburante (miscela stechiometrica). Tale miscela ottimale è simboleggiata dalla lettera greca λ (lambda). Questa lettera designa il rapporto tra il fabbisogno teorico e la quantità realmente immessa di aria:
λ = quantità aria alimentata : quantità aria teorica = 14,7 kg : 14,7 kg = 1
Le sonde lambda si basano sul principio della misurazione differenziale del contenuto di ossigeno. Esse misurano cioè la differenza tra il contenuto di ossigeno residuo del gas di scarico (ca. 0,3-3%) e il contenuto di ossigeno dell'aria ambiente (ca. 20,8%).
Se il contenuto di ossigeno residuo del gas di scarico è pari al 3% (miscela povera), si genera, a causa della differenza con il tenore di ossigeno dell'aria ambiente, una tensione di 0,1 V.
Se il contenuto di ossigeno residuo del gas di scarico è inferiore al 3% (miscela ricca), la tensione della sonda si attesta su 0,9 V a ragione dell'aumentata differenza. Il contenuto di ossigeno residuo viene misurato con diverse sonde lambda.
Generalmente il funzionamento della sonda lambda viene controllato con il controllo abituale dei gas di scarico. Poiché sottoposta tuttavia a una determinata usura, il suo corretto funzionamento deve essere controllato ad intervalli regolari (circa ogni 30.000 km), ad esempio in occasione delle ispezioni.
In seguito all'inasprimento delle leggi per la riduzione dei gas di scarico dei veicoli, si è assistito a un miglioramento delle tecnologie per il post-trattamento dei gas di scarico.
Sonda a salto di tensione
Questa sonda è composta da un corpo ceramico al biossido di zirconio di forma allungata e internamente cava. La particolarità di questo elettrolita solido consiste nell'essere permeabile agli ioni di ossigeno a partire da una temperatura di ca. 300°C. Sia la superficie esterna che quella interna del corpo ceramico sono rivestite da un sottile strato poroso di platino che funge da elettrodo. Mentre la superficie esterna del corpo ceramico è esposta al gas di scarico, quella interna è a contatto con l'aria di riferimento.
La diversa concentrazione di ossigeno sulle due superfici fa sì che, grazie alle particolari proprietà fisiche della ceramica, si produca una migrazione di ioni di ossigeno, che genera a sua volta una tensione. Tale tensione funge da segnale per la centralina, che, a seconda del contenuto di ossigeno residuo del gas di scarico, modifica la composizione della miscela.
Tale processo, la misurazione del contenuto di ossigeno residuo e l'arricchimento o l'impoverimento della miscela, si ripete ripetutamente in un secondo, in modo tale da generare una miscela stechiometrica adeguata al fabbisogno (λ = 1).
Sonda a salto di tensione
Sonda a salto di resistenza
Questo tipo di sonda è costruito in materiale ceramico al biossido di titanio con tecnologia multistrato a film spesso. Il biossido di titanio varia la propria resistenza elettrica in proporzione alla concentrazione di ossigeno nel gas di scarico. Se la percentuale di ossigeno è alta (miscela povera λ > 1), il materiale è meno conduttore; se il contenuto di ossigeno è bassa (miscela ricca λ < 1), il materiale è più conduttore. Questo tipo di sonda non richiede aria di riferimento, ma deve essere alimentato dalla centralina con una tensione di 5 V tramite una combinazione di resistenza. La caduta di tensione nelle resistenze dà origine al segnale necessario per la centralina.
Le due cellule di misura sono montate in un alloggiamento simile. Un tubo protettivo previene il danneggiamento delle cellule di misura che sporgono nel flusso del gas di scarico.
Sonda a salto di resistenza
Riscaldamento della sonda lambda
Le prime sonde lambda non venivano riscaldate e dovevano essere quindi montate vicino al motore per raggiungere la propria temperatura di esercizio più velocemente possibile. Oggi le sonde lambda vengono dotate di un apposito riscaldamento. In questo modo le sonde possono essere montate anche lontano dal motore.
Vantaggi:
Non sono più esposte all'elevata sollecitazione termica. Il riscaldamento consente loro di raggiungere la temperatura di esercizio in brevissimo tempo, in modo da mantenere molto breve l'intervallo di inattività della regolazione lambda. Si previene un raffreddamento eccessivo durante il minimo in cui la temperatura del gas di scarico non è così elevata. Le sonde lambda riscaldate hanno un tempo di reazione più breve agendo positivamente sulla velocità di regolazione.
Sonda lambda a banda larga
La sonda lambda a banda larga rileva se la miscela è ricca o povera in relazione al valore λ = 1 e permette di misurare esattamente il rapporto aria-combustibile in caso di miscela ricca (λ < 1) o povera (λ > 1), emettendo un segnale elettrico preciso. Questa sonda consente pertanto di regolare i valori in base a quelli nominali ad esempio in motori diesel, a ciclo Otto a combustione povera, a gas e nelle caldaie a gas. La sonda lambda a banda larga è costruita come una sonda tradizionale con una camera per l'aria di riferimento. Essa possiede tuttavia una seconda cella elettrochimica, detta cella di pompaggio.
Attraverso un piccolo foro presente nella cella di pompaggio (il traferro di diffusione) il gas di scarico giunge nello spazio di misurazione. Qui la concentrazione di ossigeno viene confrontata con quella dell'aria di riferimento, al fine di regolare il rapporto aria-combustibile (λ). Poiché la centralina ha bisogno di un segnale misurabile, alla cella di pompaggio viene applicata una tensione, che provoca il passaggio degli ioni di ossigeno in entrata o in uscita dal traferro di diffusione. La centralina regola la tensione di pompaggio in modo tale che nel traferro di diffusione la composizione del gas sia costantemente pari a λ = 1. Se la miscela è povera, l'ossigeno viene pompato verso l'esterno grazie all'azione della cella di pompaggio. Si produce così una corrente di pompaggio positiva. Se la miscela è ricca, l'ossigeno viene pompato verso l'interno sottraendolo all'aria di riferimento. Si produce così una corrente di pompaggio negativa. Quando nel traferro di diffusione le condizioni sono λ = 1, non si verifica più alcuna migrazione di ossigeno e la corrente di pompaggio è uguale a zero. Il valore della corrente di pompaggio viene valutato dalla centralina che gli fornisce il rapporto aria-combustibile e quindi le informazioni sulla composizione della miscela.
Impiego di diverse sonde lambda
Dall'introduzione dell'EOBD è necessario monitorare anche il funzionamento del catalizzatore. A tal proposito viene installata una sonda lambda aggiuntiva a valle del catalizzatore, che rileva la capacità di stoccaggio di ossigeno del catalizzatore.
Il funzionamento della sonda a valle del catalizzatore è lo stesso di quella a monte. Nella centralina vengono confrontate le ampiezze delle sonde lambda. La capacità di stoccaggio di ossigeno del catalizzatore consente di avere ampiezze di tensione della sonda a valle del catalizzatore molto piccole. Con la riduzione della capacità di stoccaggio del catalizzatore aumentano le ampiezze di tensione della sonda a valle del catalizzatore con l'incremento del contenuto di ossigeno.
Il valore delle ampiezze, che si generano nella sonda a valle del catalizzatore, dipende dalla capacità momentanea di stoccaggio del catalizzatore che varia con il carico e la velocità. Quindi le condizioni di carico e la velocità vengono prese in considerazione nella compensazione delle ampiezze delle sonde. Se le ampiezze di tensione delle due sonde sono tuttavia pressoché uguali, la capacità di stoccaggio del catalizzatore è, ad esempio, raggiunta per invecchiamento.
SONDA LAMBDA DIFETTOSA: SINTOMI
In caso di guasto della sonda lambda possono verificarsi i seguenti sintomi:
- Elevato consumo di carburante
- Scarsa potenza del motore
- Elevate emissioni di gas di scarico (AU)
- Accensione della spia di controllo del motore
- Memorizzazione di un codice di guasto
EFFETTI DI UNA SONDA LAMBDA DIFETTOSA: CAUSA DEL GUASTO
Un guasto può avere diverse cause:
- Cortocircuiti interni ed esterni
- Massa / alimentazione elettrica mancante
- Surriscaldamento
- Depositi / imbrattamento
- Danni meccanici
- Utilizzo di carburante con piombo / additivi
Esistono una serie di difetti tipici della sonda lambda che si verificano molto frequentemente. Il seguente elenco illustra le cause dei guasti diagnosticati:
Sonde non riscaldate
| Guasto diagnosticato | Causa |
|---|---|
| Tubo protettivo o corpo sonda intasato da residui di olio | L'olio incombusto è penetrato nell'impianto dei gas di scarico, ad esempio a causa di anelli di tenuta del pistone o guarnizioni dello stelo della valvola difettosi |
| Aspirazione aria errata, aria di riferimento assente | Sonda montata in modo errato, apertura aria di riferimento intasata |
| Danni dovuti a surriscaldamento | Temperature superiori a 950 °C dovute a punto di accensione o gioco valvola errato |
| Collegamento errato con i contatti | Ossidazione |
| Cavi di collegamento interrotti | Posa errata dei cavi, punti di sfregamento, morsi di martora |
| Collegamento di massa mancante | Ossidazione, corrosione all'impianto dei gas di scarico |
| Danni meccanici | Coppia di serraggio eccessiva |
| Invecchiamento chimico | Percorsi brevi molto frequenti |
| Depositi di piombo | Utilizzo di carburante con piombo |
DIAGNOSI DEL GUASTO DI UNA SONDA LAMBDA: PRINCIPI DI BASE
I veicoli, dotati di autodiagnosi, possono riconoscere i guasti che si verificano nel circuito di regolazione e registrarli nell'apposita memoria. Tale condizione viene generalmente indicata dalla spia di controllo del motore. Per la diagnosi è possibile leggere la memoria guasti con un apposito apparecchio. I sistemi precedenti non sono tuttavia in grado di stabilire se il guasto sia riconducibile a un componente difettoso o, ad esempio, a un cavo difettoso. In questo caso, il meccanico deve eseguire ulteriori controlli.
Nell'ambito dell'EOBD, il monitoraggio delle sonde lambda è stato ampliato ai seguenti punti:
- Cortocircuito verso cavo,
- Operatività,
- Cortocircuito verso massa della centralina,
- Cortocircuito verso positivo,
- Rottura del cavo e invecchiamento delle sonde lambda.
Per diagnosticare i segnali della sonda lambda, la centralina utilizza la forma della frequenza del segnale.
A tal proposito la centralina calcola i seguenti dati:
- Il valore di tensione della sonda massimo e minimo riconosciuto,
- Il tempo tra fronte positivo e negativo,
- Grandezza del regolatore lambda in base a miscela ricca e povera,
- Soglia di regolazione lambda,
- Tensione sonda e periodo.
CONTROLLO DELLA SONDA LAMBDA CON OSCILLOSCOPIO, MULTIMETRO, APPOSITO TESTER, ANALIZZATORE DEI GAS DI SCARICO: RICERCA GUASTI
Essenzialmente prima di ogni controllo occorre eseguire un'ispezione visiva per escludere danni al cavo o al connettore. L'impianto dei gas di scarico non deve presentare mancanze di tenuta.
Per il collegamento del dispositivo di misurazione consigliamo l'utilizzo di un cavo adattatore. Occorre osservare anche che la regolazione lambda non è attiva in alcune modalità operative, ad esempio durante l'avviamento a freddo fino al raggiungimento della temperatura di esercizio e a pieno carico.
Controllo della sonda lambda con l'analizzatore dei gas di scarico
Analizzatore gas di scarico
Uno dei controlli più veloci e più semplici è la misurazione con un analizzatore di quattro gas.
La verifica viene eseguita come il controllo dei gas di scarico prescritto. Con il motore caldo ed estraendo un tubo flessibile, l'aria indebita viene inserita come grandezza perturbatrice. La composizione variabile dei gas di scarico modifica il valore lambda visualizzato e calcolato dall'analizzatore dei gas di scarico. A partire da un determinato valore, il sistema di preparazione della miscela deve riconoscere tale condizione e regolarla entro un determinato intervallo (60 secondi come nel valore AU). Se la grandezza perturbatrice viene annullata, il valore lambda deve essere ripristinato al valore originale.
Essenzialmente occorre osservare, a tal proposito, le istruzioni per l'inserimento delle grandezze perturbatrici e i valori lambda del costruttore.
Questo controllo tuttavia può solo stabilire il funzionamento o meno della regolazione lambda. Non è possibile eseguire un controllo elettrico. In questa procedura sussiste il pericolo che, nonostante la regolazione lambda non funzionante, i sistemi moderni di gestione del motore controllino la miscela con l'esatto rilevamento del carico in modo tale che λ = 1.
Controllo della sonda lambda con il multimetro
Multimetro
Per il controllo occorre utilizzare solo multimetri ad alta impedenza con indicatore analogico o digitale.
Il multimetro con resistenza interna minima (per lo più nei dispositivi analogici) può caricare eccessivamente il segnale della sonda lambda causandone il crollo. Sulla base della tensione a rapida variazione, il segnale viene visualizzato al meglio con un dispositivo analogico.
Il multimetro viene collegato in parallelo al cavo del segnale (cavo nero, osservare lo schema elettrico) della sonda lambda. L'intervallo di misura del multimetro viene impostato a 1 o 2 volt. All'avvio del motore, viene visualizzato un valore compreso tra 0,4 – 0,6 volt (tensione di riferimento). Una volta raggiunta la temperatura di esercizio del motore o della sonda lambda, la tensione stabile inizia a spostarsi tra 0,1 e 0,9 volt.
Per ottenere un risultato perfetto, il motore deve essere mantenuto a una velocità di circa 2.500 giri. In questo modo si garantisce che anche nei sistemi con sonda lambda non riscaldata venga raggiunta la temperatura di esercizio della sonda stessa. Con la temperatura dei gas di scarico non sufficiente al minimo, sussiste il pericolo che la sonda non riscaldata si raffreddi e non generi più segnali.
Controllo della sonda lambda con oscilloscopio
Segnale della sonda lambda
L'oscilloscopio consente di visualizzare al meglio il segnale della sonda lambda. Prerequisito fondamentale è la temperatura di esercizio del motore o della sonda lambda come nel caso della misurazione con il multimetro.
L'oscilloscopio viene collegato al cavo del segnale. L'intervallo di misura da impostare dipende dall'oscilloscopio utilizzato. Se il dispositivo è dotato di un riconoscimento automatico del segnale, occorre utilizzarlo. Impostare manualmente un intervallo di tensione di 1 – 5 volt e un tempo di 1 – 2 secondi.
Il regime del motore deve corrispondere nuovamente a circa 2.500 giri.
La tensione alternata appare sinusoidale sul display. Su questo segnale è possibile valutare i seguenti parametri:
- il valore dell'ampiezza (tensione massima e minima 0,1 – 0,9 volt),
- il tempo di reazione e il periodo (frequenza circa 0,5 – 4 Hz).
Controllo della sonda lambda con l'apposito tester
Tester della sonda lambda
Diversi costruttori offrono tester speciali della sonda lambda per il controllo. Questo dispositivo consente di visualizzare il funzionamento della sonda lambda tramite LED.
Il collegamento avviene al cavo del segnale della sonda come nel caso del multimetro e oscilloscopio. Non appena la sonda ha raggiunto la temperatura di esercizio e inizia a lavorare, i LED iniziano alternativamente ad accendersi, in base alla composizione della miscela e alla curva della tensione (0,1 – 0,9 volt).
Tutti i dati per la regolazione del dispositivo per la misurazione della tensione si riferiscono qui alle sonde al biossido di zirconio (sonde a salto di tensione). Nelle sonde al biossido di titanio l'intervallo di misura della tensione da impostare varia a 0 – 10 volt, le tensioni misurate commutano tra 0,1 – 5 volt.
Controllo dello stato del tubo protettivo
Di base rispettare le rispettive indicazioni del costruttore. Oltre al controllo elettronico, lo stato del tubo protettivo del componente sonda può fornire chiarimenti sulla funzionalità:
CONTROLLO DEL RISCALDAMENTO DELLA SONDA LAMBDA: RICERCA GUASTI
È possibile controllare la resistenza interna e l'alimentazione di tensione dell'elemento riscaldante.
A tal proposito scollegare il connettore dalla sonda lambda. Misurare la resistenza sulla sonda lambda con l'ohmmetro su entrambi i cavi dell'elemento riscaldante. Il valore deve rientrare tra 2 e 14 Ohm. Sul veicolo misurare l'alimentazione di tensione con il voltmetro. Deve verificarsi una tensione di > 10,5 volt (tensione di bordo).
Diverse possibilità di collegamento e colori dei cavi
Sonde non riscaldate
| Numero di cavi | Colore del cavo | Collegamento |
|---|---|---|
| 1 | Nero | Segnale (massa sull'alloggiamento) |
| 2 | Nero | Segnale Massa |
Sonde riscaldate
| Numero di cavi | Colore del cavo | Collegamento |
|---|---|---|
| 3 | Nero 2 x bianco | Segnale (massa sul collegamento) elemento riscaldante |
| 4 | Nero 2 x bianco Grigio | Segnale elemento riscaldante massa |
Sonde al biossido di titanio
| Numero di cavi | Colore del cavo | Collegamento |
|---|---|---|
| 4 | Rosso Bianco Nero Giallo | Elemento riscaldante (+) Elemento riscaldante (-) Segnale (-) Segnale (+) |
| 4 | Nero 2 x bianco Grigio | Elemento riscaldante (+) Elemento riscaldante (-) Segnale (-) Segnale (+) |
(rispettare le istruzioni specifiche del costruttore).
SOSTITUZIONE DELLA SONDA LAMBDA: VIDEO
Sostituzione della sonda lambda
Sostituzione della sonda lambda incluse le istruzioni di smontaggio e rimontaggio
02:42 min
Durante la sostituzione della sonda lambda prestare attenzione a quanto segue
Sostituendo la sonda, è necessario osservare quanto segue durante il montaggio della quella nuova:
- Durante le fasi di smontaggio e montaggio utilizzare solo l'utensile apposito.
- Controllare la filettatura dell'impianto dei gas di scarico per rilevare eventuali danni.
- Utilizzare solo il grasso fornito in dotazione o previsto per le sonde lambda.
- Evitare di mettere l'elemento sensibile della sonda a contatto con acqua, olio, grasso o detergenti e prodotti per il trattamento della ruggine.
- Osservare le coppie di serraggio previste dai costruttori delle sonde lambda e dei veicoli.
- Durante la posa del cavo di collegamento evitare di metterlo a contatto con oggetti caldi o in movimento e di farlo passare su spigoli vivi.
- Il cavo di collegamento della nuova sonda lambda deve essere montato esattamente come quello della sonda originale.
- Verificare la presenza di gioco sufficiente del cavo di collegamento per non strapparlo con le oscillazioni e i movimenti dell'impianto dei gas di scarico.
- Avvertire i clienti di non fare uso di additivi a contenuto metallico o di carburante a base di piombo.
- Non utilizzare sonde lambda cadute a terra o danneggiate.
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