Os motores de combustão interna não fora concebidos especificamente para o automóvel, mas sim para instalações industriais, onde trabalhavam a maior parte das vezes em regimes de rotação e carga sencilvelmente constantes. Nessa situação, é possível regular o motor de modo a que a combustão da mistura ar/combustível seja próximo da medida ideal, pelo que os gases resultantes da combustão são apenas CO2, azoto (N), que não sofre qualquer alteração, e vapor de água. De facto, as moléculas de carbono (C) e hidrogénio (H2) do combustível combinam-se com o oxigénio do ar (O) de forma perfeita durante a combustão, resultando CO2 e H2O (água). Quando os motores de combustão foram aplicados ao automóvel, surgiram dois tipos de exigências que alteraram significativamente este quadro:

1.      Potência especifica mais elevada, por questões de relação peso/potência dos veículos;

2.      Variações constantes de regime de rotaçãoe e de carga do motor, para responder às necessidades de mudança de velocidade, perfil da via, quantidade de carga do veículo, etc.

Nestas condições, a mistura tem que ser enriquecida para acelerar o motor ou para este suportar cargas superiores, o que modifica a combustão, que passa a ser imperfeita, gerando emissões poluentes, entre as quais o CO, que resulta da combinação incompleta do combustível com o oxigénio, os Nox, que resultam da combinação do azoto, com o oxigénio, em situações extremas de temperatura e pressão, assim como os HC, que são moléculas de combustível livres, devido à pulverização e evapuração deste. Nos motores do ciclo diesel, há ainda a considerar a formação de partículas, resultantes da aglutinação de uma parte do combustível inflamado.

Em defesa do ambiente

Enquanto a circulação automóvel permaneceu limitada e reinou convicção de que a disponiblidade de combustível era limitada e de que os impactos ambientais eram meramente residuais, o problema da combustão imprefeita e das resultantes emissões dos motores nunca foi encarado como um perigo eminente. Foi na segunda metade do século 20 e de forma mais aguda no último quartel deste, que as chuvas ácidas, as perturbações atmosféricas (smog), o aquecimento global e as mutações climáticas vieram alertar o mundo para o problema das emissões de escape dos veículos e para a necessidade de reduzir o impacto ambiental do automóvel. A resposta da tecnologia não se fez esperar e rapidamente apareceram os motores com controlo eletrónico, injecção de combustível avançada e catalisadores. A partir deste momento, as emissões de escape podiam ser controladas com maior rigor, quer a montante da câmara de combustão, através da formação de uma mistura ideal, quer a jusante da câmara de combustão, por intermédio do catalisador, neutralizando aos gases de escape nocivos. Obviamente, trata-se de uma resposta parcial, porque o problema da combustão em condições de carga e regime variável é tecnicamente insolúvel, mas já se pode considerar um grande avanço, se omitirmos a questão das emissões de CO2, um gás inofensivo para o ser humano, mas com impacto ambiental grave, a partir das concentrações que se verificam actualmente na atmosfera.

Controlo de emissões ou da combustão?

O comtrolo de emissões não pode limitar-se ao catalisdador, porque este tem uma capacidade limitada de conversão dos gases, desde logo pelo seu tamanho, o qual tem que ser reduzido, devido a questões de custo, peso e volume. Grande parte do conteributo para o controlo das emissões é propocionado pelo sistemade formaçãoda mistura ar/combustível, gerido pela unidade electrónica de controlo do motor (ECU). Esta recebe informações de vários sensores colocados à volta do motor e está permanentemente a regular o débito de combustível, em função do ar de admissão, regime da cambota, posição da borboleta, temperatura do motor e teor de oxigénio dos gases de escape, entre outros parâmetros. No entanto, para controlar as condições de combustão no interior da cabeça do motor, a ECU apenas tem como referência principal o sensor de oxigénio, que está colocado junto do catalisador.

Através desse sensor, a ECU sabe quando a mistura está rica ou pobre, porque a mistura rica consome mais oxigénio do que a pobre, gerando menor teor de oxigénio nos gases de escape. Logicamente, a mistura pobre requer menos oxigénio e este aparece em maior quantidade nos gases de escape. Desta forma, a ECU pode regular a borboleta de admissão e o caudal de injecção de combustível, em função do teor de oxigénio dos gases de escape, fornecido pelo respectivo sensor. Isto minimiza os gases de escape poluentes, que são facilmente convertidos pelo catalizador em gases inofensivos.

Sensor de oxigénio/sonda lambda

            Depois de compreender a importância do sensor de oxigénio, temos de compreender em seguida porque se chama também sonda Lambda. Para isso, temos que passar pelo conceito de mistura estequiométrica, ou seja, a mistura em que a quantidade de ar é suficiente para provocar a combustão total do combustível, sem produzir gases poluentes. No quadro a seguir, podemos ver valores da mistura estequiométrica para alguns dos principais combustíveis utilizados em veículos. [quadro] 

Além de ficarmos a compreender a razão pela qual o gasóleo é mais económico do que a gasolina, uma vez que permite a formação de 16,2Kg de mistura por cada kg de combustível, contra 15.7 kg de mistura proporcionados pela mesma quantidade de gasolina (+3.1%), já temos os valores teóricos com os quais a unidade electrónica de gestão do motor funciona. Só que os técnicos resolveram simplificar os cálculos e deram à mistura estequiométrica o valor lambda = 1, sendo este o valor do sinal que o sensor de oxigénio manda à ECU, sempre que a mistura está dentro do valor teórico ideal. Na realidade, o valor lambda não varia muito, porque é o que permite menor formação de gases poluentes nocivos, mas também porque o sinal electrico do sensor varia muito pouco (entre 175 mV e 800mV). De facto, a sonda lambda gera uma pequena corrente eléctrica a partir do fluxo de oxigénio dos gases de escape, sendo esta voltagem captada pela ECU e transformada em sinal de valor lógico.

Para funcionar correctamente, a sonda lambda ou sensor de oxigénio deve estar a cerca de 300º C, o que corresponde a ter o motor à temperatura normar a funcionar, durante cerca dois minutos, a um regime de 2.500 rpm. Para tomar o aquecimento do sensor mais rápido, alguns têm uma resistência interna de aquecimento, alimentada pela ECU.

Consumível e Incontornável

Existem basicamente três tipos de sonda lambda, a que correspondem três tecnologias diferentes: Dióxido de Zircónio, Óxido de Titânio e de banda larga (wideband). Estas diferenças dependem mais da estratégia comercialda marca (do sensor e do veículo), uma vez que a função é sensilvelmente idêntica, embora certos tipos de sensores possam teer maior fiabilidade e maior vida util do que outros, assim como um custo mais ou menos elevado.

            Nos carros mais recentes, que possuem sistemas OBD II, pode haver 2 ou 3 sensores por cada catalisador. Certos carros com moteres V8, V12 e outros multicilindros, podem chegar a ter seis sensores de oxigénio, pois possuem duas linhas de escape independentes. Isto diz bem da importância do mercado actual e potencial destes sensores, pois trata-se de uma peça que não é reparável, devendo ser substituída sempre que deixa de funcionar. Além do sensor convencional, que fica montado à entrada do catalizador, os sistemas mais modernos incluem um sensor à saída do catalisador, que funciona como comprovativo do primeiro e torna-se supletivo, quando o primeiro falha. Outros motores têm ainda um terceiro sensor no colector de escape ou à saída deste, que fornece um primeiro sinal sobre o estado da combustão, para completar as informações dos outros sensores.

            Quando o sensor de oxigénio se avaria o motor continua a funcionar normalmente, para que o carro possa ser encaminhado para um local de assistência, mas as emissões de escape deixam de ser regulamentares, acendendo-se a lâmpada avisadora de avarias no painel de instrumentos. Além disso, a unidade de gestão do motor pode adoptar parâmetros de funcionamento adaptativos temporários, que reduzem a potência do motor. Se o sensor não for substituído rapidamente, o catalisador pode sofre de sobreaquecimento e deteriorar-se, devido a gases de escape ricos em HC e CO, provocados por uma mistura incurrecta.

Verificação da eficácia da sonda lambda

            Embora o sitema de autodiagnóstico (OBD) identifique imediatamente a falha do sensor de oxigénio, este deve ser verificado regularmente, pois poderão registar-se anomalias nos sistemas de transmissão de corrente/massa que distorcem os sinais. O próprio sensor pode enviar sinais incorrectos e perturbar a gestão do motor, apesar da ECU dispor de controlo de coerência dos parametros dos sensores. Além disso, o diagnóstico do sensor de oxigénio permite detectar problemas no estado geral do motor (compressão insuficiente, válvulas a vedar mal, consumo de óleo, etc.),  pois as anomalias do motor provocam problemas de combustão e variações atípicas do teor de oxigénio nos gases de escape.

            Se o sensor estiver a funcionar correctamente, o gráfico apresentado pelo osciloscópio electrónico é uma linha sinusoidal, na qual a tensão varia entre 200mV e 450 mV de 2 a 5 vezes por segundo (Fig. 1). Outro dado importante sobre o sensor lambda, que pode indicar o seu estado, é o tempo de resposta ou correcção, normalmente inferior a 100 mS. O sensor está montado no interiordo sistema de escape, tendo que suportar vibrações, grandes amplitudes térmicas (+900º C a – 30º C, em certos climas) e o impacto  químico dos gases de escape.