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Sonde Lambda: a cosa servono, come funzionano, quando sostituirle

La corretta calibrazione del rapporto aria-carburante all’interno della camera di combustione è di vitale importanza per l’ottimale funzionamento del catalizzatore, così da consentire la drastica riduzione delle emissioni inquinanti del motore. Proprio a questo serve la sonda lambda, componente che ha il ruolo fondamentale di rilevare con la massima precisione la concentrazione di ossigeno affinché il dosaggio aria-carburante sia corretto. La maggior parte dei veicoli in circolazione dispone di almeno due sonde lambda: una posizionata prima del catalizzatore, l’altra dopo il catalizzatore. Nel circuito di regolazione lambda, la sonda di regolazione misura l’ossigeno presente nel gas di scarico prima che entri nel catalizzatore. Rilevata la concentrazione dell’ossigeno, il sensore dialoga con la centralina del motore (ECU) che, a seconda di quanto rilevato dal sensore lambda, varia il rapporto aria combustibile della miscela. La sonda di diagnosi, invece, misura l’ ossigeno residuo nel gas di scarico dopo il trattamento nel catalizzatore. In base a questo la centralina del motore può rilevare eventuali anomalie o malfunzionamenti, con la conseguente accensione della relativa spia sul cruscotto.

Sonda lambda: il corretto rapporto aria carburante nei motori a benzina

La lettera greca lambda ( λ ), che dà il nome alla sonda, indica il rapporto corretto tra aria e carburante in un motore a benzina, che deve essere di 14,7 kg di aria per 1 kg di carburante. Tale rapporto identifica la cosiddetta “miscela stechiometrica”: in questa “condizione ideale” la quantità d’ara introdotta per la combustione corrisponde esattamente al fabbisogno d’aria teorico per avere una combustione completa. E’ quando c’è questo rapporto aria-carburante che il catalizzatore può funzionare in maniera ottimale, convertendo i gas di scarico nocivi in gas non pericolosi per l’ambiente. La maggior parte del gas di scarico è costituita da azoto, acqua e anidride carbonica, solamente una minima parte delle emissioni di un motore moderno (circa l’1,1% nel motore a benzina e lo 0,2% nel motore a Diesel) è costituita da sostanze nocive. I catalizzatori consentono di abbattere anche questi quantitativi di emissioni nocive, così da rispettare le normative Euro introdotte nel corso degli anni. La miscela stechiometrica caratterizza il funzionamento di tutti i motori a benzina, mentre per il diesel il rapporto è diverso.

L’efficienza del catalizzatore

In caso di “miscela grassa”, in cui vi è carburante in eccesso rispetto al rapporto stechiometrico, il valore lambda è superiore a 1. Al contrario, in caso di “miscela magra” (nella camera di combustione c’è un’eccedenza di aria), abbiamo un valore lambda inferiore a 1. Se la miscela aria – carburante si mantiene intorno al valore stechiometrico (lambda =1), il catalizzatore riesce ad abbattere di oltre il 95% il monossido di carbonio e gli ossidi di azoto (Nox), e gli idrocarburi incombusti si trasformano in biossido di carbonio e acqua.

Quando la miscela è grassa, il catalizzatore lavora con meno efficienza e le emissioni di monossido di carbonio e idrocarburi incombusti aumentano. In caso di miscela magra, invece, aumentano considerevolmente le emissioni di ossidi di azoto.

Diversi tipi di sonde lambda

Le sonde lambda sono suddivise in tre diverse tipologie. Le sonde lambda al biossido di zirconio e quelle al biossido di titanio sono dette anche a salto o binarie, in quanto il segnale della sonda oscilla tra due valori in base alla presenza di una miscela grassa o magra. Il terzo tipo è costituito dalle sonde lambda a banda larga, conosciute anche come sonde lambda lineari poiché sono in grado di rilevare la concentrazione di ossigeno residuo nei gas di scarico in modo continuo.

Sonde lambda al biossido di zirconio

Le più diffuse sono le sonde lambda al biossido di zirconio, o sonde a salto di tensione, che, in base al veicolo, vengono utilizzate come sonde di regolazione e di diagnosi. L’elemento più importante della sonda è un materiale ceramico cavo internamente, la cui forma è simile a un ditale. Tale materiale è permeabile agli ioni di ossigeno a partire da una temperatura di 350° e per arrivare alla temperatura di esercizio desiderata viene attivato l’elemento riscaldante inserito al suo interno. Il lato interno dell’elemento ceramico è a contatto con l’aria dell’ambiente, mentre il lato esterno viene attraversato dal gas di scarico. Tutti e due i lati sono rivestiti da un sottile strato in platino che funge da elettrodo. Quando la sonda lambda raggiunge la temperatura di esercizio, gli ioni di ossigeno si spostano nell’elettrolita dalla zona a concentrazione maggiore di ossigeno e quella dove c’è una concentrazione minore, cercando di raggiungere uno stato di equilibrio. La differenza di concentrazione tra l’aria esterna e i gas di scarico provoca dunque questo movimento degli ioni di ossigeno, generando – tra gli iniettori e gli elettrodi di platino – una differenza di potenziale. Quando la miscela è magra, il segnale è di circa 0,1 volt, mentre in caso di miscela è grassa il valore è di circa 0,9 volt. Con lambda uguale 1 si ha un salto di tensione di 0,45 volt.

Le sonde lambda al biossido di zirconio hanno da 1 a 4 cavi. Le sonde non riscaldate con contatto di massa tramite la filettatura hanno un cavo del segnale di colore nero, mentre le sonde non riscaldate che hanno un proprio contatto con l’impianto elettrico hanno anche un cavo di massa grigio. Le sonde riscaldate dispongono invece di tre o quattro cavi. Il cavo nero porta sempre il segnale della sonda, mentre i due cavi bianchi sono responsabili dell’ alimentazione elettrica del riscaldatore. Può essere presente anche un cavo di massa grigio collegato all’impianto elettrico del veicolo.

Sonde lambda al biossido di titanio

Le sonde lambda al biossido di titanio si differenziano da quelle al biossido di zirconio per il fatto di non generare una tensione. L’elemento ceramico, in questo caso, è un semiconduttore e la resistenza elettrica varia proporzionalmente alla concentrazione di ossigeno presente nel gas di scarico. Questa tipologia di sonda lambda presenta un elemento riscaldante integrato e non necessita la rilevazione dell’aria esterna dell’area di riferimento, di conseguenza sono più compatte rispetto a quelle in biossido di zirconio. L’elemento ceramico è prodotto con una tecnologia multi-strato che utilizza il biossido di titanio, il quale varia la sua resistenza elettrica proporzionalmente alla pressione dell’ossigeno e quindi alla concentrazione di ossigeno nella miscela di gas. Questo tipo di sonda lambda funziona ad una temperatura di esercizio di 700°, e temperature superiori a 850° possono danneggiarle. Generalmente hanno tre o quattro cavi.

Sonde lambda a banda larga, le preferite dai motori diesel

Da diversi anni, in risposta alla necessità di ridurre consumi ed emissioni, i nuovi motori hanno la necessità di “lavorare” anche al di fuori del valore stechiometrico (lambda =1). Per avere performance adeguate nelle partenze a freddo, ad esempio, può essere richiesta una miscela magra più ricca d’aria (lambda inferiore ad 1), e anche numerosi modelli di motore più recenti sono concepiti per funzionare, in alcune fasi , ad un rapporto aria-combustibile più magro rispetto al valore stechiometrico. Ciò richiede una continua regolazione del rapporto aria-combustibile, ed è questa la fondamentale funzione assolta delle sonde a banda larga, che sono in grado di dare un segnale d’uscita proporzionale al rapporto tra aria e carburante. Grazie a un funzionamento rapido e preciso, il combustibile può essere mantenuto ad ogni rapporto richiesto, ed è per questo che trovano applicazioni anche nei moderni motori diesel, che in larga parte operano in una condizione di eccesso di aria.

L’elemento planare di una sonda lambda a banda larga è composto da più strati e presenta al suo interno una cella di pompaggio, una cella di misurazione e generalmente anche un riscaldatore integrato. Nella cella di misura viene misurata la concentrazione dell’ossigeno dei gas di scarico presenti nella camera di rilevamento: tale misura viene confrontata con un valore obiettivo di 450 mV (miscela stechiometrica e ogni allontanamento da questo valore fa sì che la cella di pompaggio trasporti gli ioni ossigeno all’interno o, invertendo il verso di pompaggio della corrente, all’esterno della camera di misura, nel tentativo tornare al valore di 450mV. la misurazione del valore e della direzione del flusso di corrente di pompaggio permette l’identificazione precisa del rapporto aria combustibile. In presenza di una miscela stechiometrica (lambda= 1) non c’è flusso di corrente nella cella di pompaggio. In caso di miscela grassa è presente una minore concentrazione di ossigeno e viene così generata una corrente negativa per inviare l’ ossigeno all’interno della cella di misura. Quando la miscela è magra viene invece prodotta nella cella di pompaggio una corrente positiva è prodotta nella cella di pompaggio per rimuovere l’ossigeno eccedente dalla cella di misura.

Le sonde lambda a banda larga presentano generalmente 5 cavi di collegamento. I cavi giallo e blu alimentano. Attraverso il cavo bianco passa il segnale della corrente di pompaggio, mentre il segnale della cella di misurazione passa attraverso il cavo grigio. Il cavo nero è il collegamento a massa per la cella di pompaggio e di misurazione.

Sonde lambda speciali

Ci sono casi in cui vengono richieste ai motori prestazioni extra, ad esempio nel racing o nei motori a benzina più recenti, ma anche nel mondo delle due ruote. Per rispondere a queste particolari esigenze di misura e trattamento dei gas combusti sono necessarie sonde lambda speciali. Per contenere i consumi i motori a benzina a iniezione diretta richiedono spesso una miscela magra, rendendo tuttavia necessario l’utilizzo di un sensore NOx per abbattere le emissioni nocive. Ciò rende necessario un sistema di controllo elettronico collegato direttamente della sonda lambda, che in questo caso deve operare con valori che si scostano da lambda=1 e quindi al di fuori del valore di funzionamento ottimale del catalizzatore. Per neutralizzare l’aumento di ossidi di azoto che si viene a creare in queste condizioni operative si utilizza un catalizzatore supplementare che immagazzina temporaneamente tali Nox. Il sensore Nox rileva se la capacità di accumulo dei Nox del catalizzatore supplementare sta per esaurirsi, e prima che ciò avvenga dialoga con la centralina per richiedere per qualche secondo un’alimentazione con miscela grassa, consentendo in tal modo di rendere innocui i Nox. Questa fase di rigenerazione si ripete circa ogni minuto.

Quando sostituire la sonda lambda

Nel tempo le sonde lambda diventano meno reattive e il salto di tensione si indebolisce, di conseguenza l’invio del segnale alla centralina è meno rapido, oppure non utilizzabile. Quali sono dunque i sintomi di una sonda lambda che si sta guastando? Quando la centralina rileva un problema di segnale si passa al funzionamento di emergenza , in cui la miscela viene precauzionalmente arricchita per proteggere i componenti dal surriscaldamento e assicurare un livello di potenza accettabile. Questo, tuttavia, provoca un significativo aumento dei consumi di carburante e, conseguentemente, dei gas di scarico. Di qui l’importanza del controllo dei gas di scarico e della sostituzione della sonda lambda, in modo da tornare ai corretti livelli prestazionali e di consumi.

Il corretto montaggio di una sonda lambda richiede una chiave ad anello aperto, evitando qualsiasi percussione per non danneggiare l’elemento ceramico. Ovviamente occorre evitare qualsiasi schiacciamento o torsione che possa danneggiare i cavi.

Problemi sonda lambda: come vedere se una sonda non funziona bene o non è stata installata correttamente

La sonda lambda è sottoposta a vibrazioni, carichi termici o agenti chimici aggressivi che possono creare malfunzionamenti.  Ma in alcuni casi anche eventuali errori di installazione possono creare problemi. Di seguito le problematiche più comuni:

Sonda piegata: la sonda è stata installata in modo errato e questo potrebbe compromettere la corretta trasmissione del segnale

Cavo o connettori fusi: un contatto con l’impianto di scarico potrebbe provocare la fusione di un cavo o di un connettore.

Depositi carboniosi: una miscela troppo grassa potrebbe provocare forti depositi carboniosi nel tubo protettivo. Ciò potrebbe essere causato dall’usura di motore e valvole o perdite nell’impianto di scarico.

Contatti arrugginiti: una possibile penetrazione di acqua potrebbe aver arrugginito i contatti. Quando si sostituisce la sonda occorre controllare attentamente la solidità del connettore e di tutti i collegamenti tra sonda e centralina motore.

Cavo sfilacciato/rotto: una trazione eccessiva può avere danneggiato il cavo

Guarnizione del cavo staccata: in fase di montaggio la sonda probabilmente è stata eccessivamente tirata. Si potrebbe avere una possibile penetrazione di acqua

Depositi bianchi/grigi: forti depositi bianchi o grigi potrebbero essere causati dall’utilizzo di additivi per il carburante o da olio bruciato .

Sonda lambda danneggiata da olio

Le perdite di olio provenienti da componenti del motore, connesse allo stesso cablaggio elettrico delle sonde Lambda (per esempio i sensori di pressione dell’olio) spingono l’olio all’interno del cavo per effetto della capillarità, fino a raggiungere il connettore della ECU. Da qui può arrivare anche al cavo delle sonde Lambda, raggiungendo lo stesso sensore. Se l’olio arriva nella sonda tramite il cavo di connessione, entra all’interno dove si trova l’aria di riferimento. La sonda si riscalda quando il motore è in funzione, e l’olio presente evapora. Il gas evaporato contiene meno ossigeno rispetto all’aria di riferimento. All’aumentare della presenza di olio il segnale di tensione della sonda diventa più basso. In poco tempo il segnale di tensione arriverà a zero rompendo completamente la sonda.

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