Sonda Lambda - A emissão de poluentes dos veículos como você nunca viu

O controle da mistura ar/combustível é extremamente importante para o correto funcionamento dos motores à combustão interna ciclo Otto, a relação entre o ar e o combustível influencia diretamente no funcionamento do motor, na emissão de poluentes e no consumo de combustível. No artigo "Introdução ao gerenciamento eletrônico dos motores de combustão interna ciclo Otto", o controle da mistura ar/combustível é brevemente explicada.

 

Agora, nesta série de artigos, será apresentado o desenvolvimento de um controle da mistura ar/combustível a partir do estudo de modelos de malha fechada deste sistema. Esse controle tem por objetivo manter a mistura mais próxima possível do ponto estequiométrico, a fim de otimizar a taxa de conversão de gases poluentes pelo catalisador, e utiliza um sensor de oxigênio, conhecido como sonda lambda, para realizar a realimentação do sistema, indicando se a mistura está no ponto estequiométrico. Também será apresentado o desenvolvimento de um compensador em malha fechada para controlar a mistura a/c (ar/combustível) em outros pontos, além do estequiométrico, através do uso de uma sonda lambda de banda larga. O trabalho completo sobre o Controle da Mistura Ar/Combustível em Malha Fechada pode ser visualizado e utilizado como referência "aqui".

 

A sonda lambda foi brevemente apresentada no artigo "Sensores utilizados no gerenciamento do motor de combustão interna ciclo Otto" e agora ela será detalhada. A sonda lambda, ou sensor de oxigênio, é essencial no controle em malha fechada da mistura ar/combustível, pois indica se a mistura que foi admitida no motor está de acordo com a mistura que é esperada. Por exemplo, se o carro demandar potência a mistura deve ser rica. Então, a partir da leitura do sensor é possível determinar se este alvo foi atingido ou precisa ser corrigido. O sensor de oxigênio fica localizado na saída dos gases de exaustão, entre o motor e o catalisador, para realizar a medição do fator lambda.

 

Localização do sensor lambda.
Figura 1 - Localização do sensor lambda.

 

Existem atualmente dois tipos de sensores que são empregados nos motores à combustão: os sensores de oxigênio de banda estreita e de banda larga, descritos a seguir.

 

 

Sonda Lambda de Banda Estreita

 

O sensor de oxigênio de banda estreita (EGO – Exhaust Gas Oxygen Sensor), popularmente conhecido apenas como sonda lambda, ou sonda lambda on-off, é utilizado para obter uma medida indireta da relação da mistura ar/combustível admitida no motor. Esta medida é usada para regular precisamente a quantidade de combustível a ser injetada na câmara de combustão para atingir o ponto estequiométrico.

 

O sensor é constituído de um material cerâmico de zircônia (ZrO2) que, quando submetido a altas temperaturas (normalmente entre 400°C e 700°C), conduz eletricidade e gera uma tensão, que pode ser medida nos terminais de contato revestidos com platina. A figura 2 mostra a construção do sensor.

 

Esquema em corte da sonda lambda no coletor de escape.
Figura 2 - Esquema em corte da sonda lambda no coletor de escape.

 

Essa tensão é gerada pela diferença entre a pressão parcial de oxigênio do ar ambiente e da pressão parcial de oxigênio presente nos gases de escapamento, como apresentado na equação 1, conhecida como equação de Nernst:

 

 

Onde tion é o número de transferência iônica do elemento cerâmico, que tem valor máximo 1 quando o sensor alcança a temperatura de operação, R é a constante universal dos gases, T é a temperatura absoluta em Kelvin, F é a constante de Faraday e p(O2) é a pressão parcial de oxigênio do ambiente e da exaustão.

 

A tensão lambda é normalmente de 0,1 Volts para a mistura pobre, isto é, a pressão de oxigênio nos gases de escapamento é maior do que na referência do ar atmosférico. Com mistura rica, a pressão de oxigênio nos gases de escapamento é menor do que a da referência, assim a tensão varia entre 0,8 a 1 Volts dependendo da temperatura. Como a relação entre as pressões de oxigênio muda abruptamente quando a mistura passa de rico para pobre ou de pobre para rico, o sensor exibe uma característica não linear.

 

Devido a esta característica, é possível saber apenas se a mistura está rica ou pobre, mas não é possível definir a magnitude da relação a/c. Por isso, este sensor também é conhecido como sonda lambda binária, por possuir apenas dois estados definidos. A figura 3 mostra a relação entre a tensão de lambda Uλ e o valor da relação a/c λ:

 

Resposta em tensão do sensor em relação à lambda.
Figura 3 - Resposta em tensão do sensor em relação à lambda.

 

Como este tipo de sonda lambda possui apenas dois estados, o controle só pode ser efetuado para o valor estequiométrico. Para contornar este problema, foi desenvolvida a sonda lambda de banda larga, que possui uma característica que permite realizar a leitura exata dos valores de lambda. Apesar destas limitações, a sonda lambda de banda estreita ainda é a mais popular nos veículos atuais.

 

 

Sonda Lambda de Banda Larga

 

O sensor de oxigênio de banda larga (UEGO – Universal Exhaust Gas Oxygen Sensor) é utilizado para obter o valor de lambda da mistura ar/combustível.

 

Este sensor possui o mesmo princípio de funcionamento da sonda binária (princípio de Nernst). Entretanto, possui uma célula de medição adicional, chamada de célula de bombeamento. As duas células de medição são formadas de zircônia. A célula de medição faz a comparação do ar de referência (atmosférico) com o gás de exaustão, fazendo o mesmo papel da sonda de banda estreita. Um circuito eletrônico mede a tensão lambda da célula de medição e faz a comparação com o valor estequiométrico de aproximadamente 450mV. A figura 4 apresenta um esboço da construção das células do sensor de banda larga e o circuito de medição e controle.

 

Esquema do sensor de banda larga e circuito de medição e controle
Figura 4 - Esquema do sensor de banda larga e circuito de medição e controle.
1 Célula de Nernst. 2 Célula de referência. 3 Aquecedor. 4 Célula de bombeamento. 5 Ar de referência. 6 Ar de medição.

 

Se o valor medido for diferente de 450mV, o circuito gera uma corrente Ip para a célula de bombeamento que faz com que esta bombeie ar para dentro ou para fora da câmara de medição do gás de exaustão até que a célula de medição atinja a estequiometria. Pelo valor da corrente de bombeamento Ip é possível calcular o valor de lambda. O valor de Ip é dado pela equação 2:

 

 

Onde R é a constante universal dos gases, T é a temperatura absoluta em Kelvin, F é a constante de Faraday, p(O2) é a pressão parcial de oxigênio do ambiente e Uλ é a tensão lambda da equação 2, exceto que p(O2 exaustão) é agora compensado pela adição ou subtração do oxigênio pela célula de bombeamento. σO2 é a condutância de O2 entre as células do sensor, dado por:

 

 

onde DO2 é o coeficiente de difusão do oxigênio, A é a área de contato e l o comprimento da célula. A figura 5 apresenta a curva característica da relação entre Ip e lambda.

 

Curva característica do sensor de banda larga. Corrente de referência Ip em relação a lambda.
Figura 5 - Curva característica do sensor de banda larga. Corrente de referência Ip em relação a lambda.

 

Este tipo de sensor tem uma limitação para a medição de lambda na região de mistura rica, sendo que o mínimo é de aproximadamente 0,7, ou seja, não é possível medir misturas muito ricas na exaustão por causa da limitação da corrente de bombeamento. Por outro lado, a medição de mistura pobre tem ampla região e pode alcançar valores de lambda de até aproximadamente 16, dependendo da sonda utilizada.

 

Para os dois tipos de sonda lambda é necessário realizar o controle da temperatura do sensor, principalmente para o de banda larga que, devido à sensibilidade de suas medições, precisa que a temperatura permaneça praticamente constante. Este controle é realizado através de um aquecedor embutido na sonda lambda.

 

A emissão de poluentes também está diretamente ligada ao valor de lambda, e foi a partir desta ligação que surgiu a necessidade de controlar a mistura ar/combustível.

 

 

Emissão de Poluentes e Catalisador

 

As emissões de poluentes podem ser reduzidas com o uso de conversores catalíticos, mas eles dependem diretamente do valor de lambda para funcionar corretamente. A figura 6 mostra a comparação da emissão dos gases poluentes CO (monóxido de carbono), HC (hidrocarbonetos) e NOx (óxidos de nitrogênio), que são os principais gases formados no processo de combustão e estão relacionados a lambda.

 

Relação de lambda e a emissão de poluentes em partes por milhão (ppm).
Figura 6 - Relação de lambda e a emissão de poluentes em partes por milhão (ppm).

 

Quando a mistura está rica, parte do combustível não é consumido, sendo expelido pelo escapamento. O combustível não queimado que sai pelo escapamento, conhecido como HC, é tóxico e acredita-se que seja cancerígeno se inalado. Além disso, quando os hidrocarbonetos se juntam na atmosfera, é formada uma fumaça visível e espessa.

 

Outro poluente formado com a mistura rica é o monóxido de carbono. O CO é incolor e inodoro e é bastante perigoso aos seres vivos, pois, quando inalado, é absorvido pelos pulmões, entra na corrente sanguínea e se combina com a hemoglobina, impedindo que o oxigênio seja transportado pelo corpo, afetando o funcionamento de todos os órgãos do corpo.

 

O ar e o combustível utilizados nos motores à combustão têm muitas impurezas e outras substâncias. O nitrogênio presente no ar é responsável por formar os óxidos de nitrogênio, conhecidos como NOx. Esses óxidos se formam com mais intensidade quando a mistura está pobre, numa faixa de lambda entre 1 e 1,1. Quando a mistura está nessa faixa de lambda, a temperatura na câmara de combustão se eleva, permitindo que o oxigênio se combine com o nitrogênio, formando os NOx. Assim que este poluente sai pelo escapamento, ele se combina com mais oxigênio da atmosfera e se torna ainda mais poluente, contribuindo também para a formação de chuva ácida. Se inalado, esse gás pode danificar o sistema respiratório, além disso, quando ele é misturado com vapor de água forma-se ácido nítrico que pode afetar os pulmões.

 

Para lambda acima de aproximadamente 1,1, a mistura perde eficiência na combustão pelo excesso de ar, a temperatura da câmara diminui e, consequentemente, a emissão de NOx diminui. Além disso, como houve pouca queima de combustível, a emissão de HC aumenta à medida que a mistura fica mais pobre (lambda maior que 1,2) por causa das falhas na combustão.

 

Existem limites máximos estabelecidos por agências ambientais governamentais para a emissão dos poluentes NOx, HC e CO. Para atender às legislações ambientais, é utilizado um conversor catalítico que faz basicamente a conversão dos gases poluentes em substâncias não poluentes. As principais conversões são:

  • Oxidação de hidrocarbonetos em dióxido de carbono e água;
  • Oxidação de monóxido de carbono em dióxido de carbono e;
  • A redução de NOx em nitrogênio e oxigênio.

 

O catalisador mais utilizado nos veículos é o Conversor Catalítico de Três Vias (Three Way Catalytic Converter - TWC), ilustrado na figura 7.

 

Conversor catalítico de três vias.
Figura 7 - Conversor catalítico de três vias.

 

Este tipo de catalisador é formado por um composto cerâmico, pelo qual os gases atravessam, disposto em uma forma conhecida como colmeia. Este composto é revestido por óxido de alumínio e também pelos metais preciosos platina, paládio, e ródio, que são os agentes catalisadores para reduzir os óxidos de nitrogênio e oxidar o HC e o CO. Ele é chamado de catalisador de três vias justamente por converter os três gases simultaneamente. Quando a temperatura ideal do conversor é atingida (aproximadamente 400°C), o catalisador de três vias tem uma eficiência de até aproximadamente 99% de conversão destes gases poluentes. Além disso, sua eficiência depende principalmente da relação ar/combustível, porém, como apresentado na figura 8, o valor da relação entre a eficiência de conversão e lambda para a máxima eficiência de conversão dos três gases não é a mesma.

 

Taxa de conversão catalítica em relação a lambda.
Figura 8 - Taxa de conversão catalítica em relação a lambda.

 

Conforme a figura 8, quanto maior a relação a/c, obtêm-se maior eficiência na conversão de CO e HC. Porém, fica comprometida a conversão do NOx, pois a eficiência de conversão no NOx decresce a uma taxa muito rápida à medida que lambda fica maior do que 1. Isto ocorre devido à grande quantidade de oxigênio presente no catalisador, retido pelo cério (Ce) também presente no revestimento do composto cerâmico, que nesta faixa de lambda pobre reage apenas com o CO e o HC. A oxidação destes dois gases é facilitada pela platina e pelo paládio. Quando a relação a/c é menor do que 1, ou seja, a mistura é rica, consegue-se maior eficiência na conversão do NOx, entretanto fica prejudicada a eficiência dos outros dois gases. A redução do NOx tem como agente catalisador a platina e o ródio.

 

O catalisador tem maior eficiência durante regimes de funcionamento estacionários do motor onde é, normalmente, realizado o controle de lambda igual a 1. Durante mudanças de regime (acelerações e desacelerações) ou demanda de carga, a estequiometria é abandonada para atender a esses regimes, assim a eficiência catalítica fica desfavorecida.

 

Existe uma janela na relação a/c (em destaque em vermelho na figura 8) em torno do ponto estequiométrico (de aproximadamente 14,7 para gasolina), com maior área na parte rica, onde é possível obter uma eficiência aceitável para converter os três gases e ficar dentro dos limites estabelecidos pelas legislações. Esta janela tem largura de aproximadamente ±0,5% da relação ao valor estequiométrico, ou seja, entre 14,62 a 14,77, no caso da gasolina. Para manter a relação dentro desta janela, é necessário o uso de um sistema eletrônico capaz de controlar e regular precisamente a quantidade de combustível e ar admitidos no motor.

 

Controlar a relação ar/combustível é muito importante para o correto funcionamento do motor, com o intuito de aumentar o desempenho e para ajudar a diminuir a emissão de poluentes. Nos próximos artigos será apresentado o controle da mistura ar/combustível em malha fechada, utilizando a sonda lambda como realimentação do sistema. A maioria dos controladores e modelos encontrados na literatura tem grande complexidade e são de difícil implementação. Dessa forma, será utilizado um modelo simplificado da mistura ar/combustível descrito por um sistema linear de primeira ordem com tempo morto e será utilizado um controlador do tipo proporcional integral pela facilitar a implementação na ECU do motor.

 

 

Saiba mais

 

Introdução ao gerenciamento eletrônico dos motores de combustão interna ciclo Otto

Controle eletrônico de válvulas em um motor ciclo Otto

Controle PI aplicado em uma válvula borboleta eletrônica

 

 

Referências

 

PEREIRA, B. S. Controle da mistura ar/combustível em um motor a combustão interna: sistema em malha fechada. São Paulo. 2015. 92p. (Mestrado) Escola Politécnica, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2015.

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Modelo matemático e simulação do controle da mistura ar/combustível >>
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Cynthia Thamires Da Silva
De Minas Gerais para São Paulo. Mineira, moro em São Paulo a 10 anos. Sou pesquisadora da USP e estou cursando Doutorado em Engenharia Elétrica com ênfase em Gerenciamento Eletrônico da Bateria de Veículos Híbridos. Formada em Eletrônica Automotiva pela FATEC Santo André, Mestre em Engenharia Elétrica e apaixonada por tecnologia automotiva. Desenvolvi diversos projetos na área automotiva e trabalhei por 2 anos na Volkswagen no setor de pós vendas, auxiliando os concessionários na solução de diversos problemas na área elétrica e eletrônica veicular.

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eudilan de sousaPedro Ferreira dos Santos Neto Recent comment authors
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eudilan de sousa
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eudilan de sousa

Muito bom este artigo e muito útil a mim, um mero aprendiz do mundo do sistema de gerenciamento eletronico no geral, se a nobre amiga puder dispor mais assuntos voltado a este mundo ficarei mui grato.

Pedro Ferreira dos Santos Neto
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Pedro Neto

Muito bem, parabéns pelo artigo