Sonde lambda

Nouveau et ancien capteur d'oxygène

La sonde lambda (ou sonde λ, où λ fait référence au dosage relatif , souvent abrégé en λ), est un capteur qui mesure la concentration en oxygène . ​ Il permet de vérifier la qualité d'une combustion. Ainsi, lorsque la combustion est stoechiométrique , la quantité d'oxygène présente dans les gaz de combustion est nulle ou négligeable et, dans ce cas, le rapport air-carburant relatif (λ) est égal à l'unité. Lorsque le mélange est trop riche en carburant, alors λ < 1. ]

Automobile

Capteur d'oxygène chauffé

Dans les véhicules thermiques, la sonde à oxygène est située dans le conduit d'échappement, juste avant le pot catalytique , afin de pouvoir mesurer la concentration en oxygène des gaz de combustion avant qu'ils ne subissent une quelconque altération. La mesure d'oxygène est représentative de la richesse du mélange, grandeur que la sonde transforme en valeur de tension et communique au calculateur moteur. ]

Gaz d'échappement

Les gaz de combustion d'un moteur à cycle Otto , à explosion (essence), sont constitués d'environ 80 % d'azote, qui ne participe guère à la réaction chimique de combustion, 14-16 % de dioxyde de carbone ou CO ₂ , et le reste d'eau (vapeur) , en plus d'une faible proportion de polluants dont les principaux sont les hydrocarbures (HC) et le monoxyde de carbone (CO). L'oxygène résiduel est d'environ 0,3 %. Sa proportion varie beaucoup selon le dosage .

Constitution

Fonctionnement en cycle fermé : 1 débitmètre d'air ; 2 et 3 convertisseur catalytique ; 4 injecteurs ; 5 sonde lambda avant ; 6 sonde lambda arrière ; 7 arrivée d'essence; 8 entrée d'air du filtre ; 9 échappement

La sonde elle-même est constituée d'une pièce en céramique et d' électrodes en zirconium ou en titane . Les gaz d'échappement sont en contact avec la sonde et celle-ci renseigne sur la proportion d'oxygène résiduel après combustion.

Fonctionnement : la boucle fermée

Cette information est transmise au centre d'injection électronique et ce centre peut ainsi réguler la quantité de carburant injectée dans le cylindre pour maintenir le rapport au plus près de 1/14,7 appelé rapport stœchiométrique .

La mesure est basée sur la quantité d'oxygène restant dans les gaz évacués du tuyau d'échappement. La sonde lambda est l'un des principaux capteurs de correction dans l'électronique de contrôle , connue sous le nom de régulation lambda pour le nettoyage catalytique des gaz émis, communément appelée pot catalytique régulé. Le capteur repose sur deux principes de mesure différents : la tension d'un électrolyte ( sonde Walther Nernst ) et une variation de la résistance électrique d'une résistance céramique (sonde à résistance).

Son principal domaine d'application est le moteur à combustion interne , principalement à injection de carburant à cycle Otto , mais il est également utilisé pour réguler les gaz émis par les chaudières à condensation et les moteurs diesel .

La première version de la sonde lambda a été développée en 1976 par la société allemande Bosch et appliquée au Volvo 240 . ]

Fonction sonde de Nernst

Un côté du capteur en céramique est exposé au flux de gaz d'échappement, tandis que l'autre est basé sur une référence de niveau de dioxygène. Dans la plupart des cas, l'air ambiant est utilisé, à travers une ouverture dans la sonde ou sur un guide d'air. Cela évite que la valeur de référence soit influencée par une éventuelle contamination par de l'eau, de l'huile ou des vapeurs de carburant. Si la sonde devait être contaminée, la quantité de dioxygène dans la référence serait réduite, réduisant ainsi la tension de la sonde. Dans le cas d'une référence pompée, l'air ambiant n'est pas nécessaire, mais la référence de dioxygène est basée sur un flux d' ions provenant des gaz d'échappement.

A des températures supérieures à 300 °C environ, la céramique de la sonde, composée de dioxyde de zirconium et d' yttrium , devient conductrice des ions oxygène négatifs. La différence de concentration donne lieu à une diffusion des ions du gaz évacué. Les atomes d'oxygène peuvent se déplacer dans la céramique sous forme d'ions doublement chargés négativement. Les électrons nécessaires à l'ionisation des atomes d'oxygène sont fournis par les électrodes, qui sont des conducteurs électroniques. De cette façon, la tension de la sonde entre les électrodes de platine situées à l'intérieur et à l'extérieur peut être prise. Cette information est transmise par le câblage à l' unité de commande électronique du moteur. La valeur est pour λ>1 ( mélange pauvre , manque de carburant ou excès d'air) entre 0 et 150 mV, pour λ<1 (mélange riche), excès de carburant ou manque d'air) entre 800 et 1000 mV. La tension mesurée est décrite dans l' équation de Nernst . Dans une plage très étroite autour de λ=1, appelée fenêtre λ, la courbe caractéristique est extrêmement raide. La tension est modifiée dans la fenêtre par rapport au mélange air-carburant de manière très brutale, ces oscillations rendant le mélange stoechiométrique ou quasi stoechiométrique. Dans cette zone les valeurs de CO et HC sont relativement basses, ainsi que celles de NOx, permettant ainsi au pot catalytique de fonctionner dans les conditions les plus favorables.

Fonction sonde de résistance

La sonde à résistance est très fréquemment utilisée.

Le capteur est composé d'une céramique semi-conductrice en dioxyde de titane . Les porteurs de charge sont créés par des sites sans oxygène qui servent de donneurs. Lorsque l'oxygène approche, les positions vides sont remplies réduisant ainsi le nombre de porteurs libres. Ce ne sont pas les ions oxygène qui assurent la conductivité, mais l'oxygène.

La conductivité électrique σ dans la plage de travail est décrite par l' équation d'Arrhenius avec une énergie d'activation E _A :

$\sigma =A\cdot e^{-{\frac {E_{A}}{k\cdot T}}}\cdot p(O)^{-1/4}$

Le signal est généré avec un diviseur de tension à résistance électrique invariable.

Utilisation dans les moteurs

Volvo 240, la première voiture équipée d'une sonde lambda

Sur les moteurs Otto , la sonde est normalement vissée à l'échappement, avant le pot catalytique. Dans les véhicules soumis à des exigences légales strictes en matière de propreté des gaz évacués et d' autodiagnostic , plusieurs sondes sont utilisées. Dans les moteurs à cylindres en V , une sonde par banc de cylindres , voire une par cylindre pour une régulation sélective des cylindres.

La gestion moteur est capable de moduler à tout moment la quantité d'injection pour que la composition des gaz d'échappement ait un facteur lambda d'environ 1. De cette manière, deux exigences sont simultanément satisfaites : le moteur reçoit un mélange très proche de l'idéal à tous les temps et les conditions de travail du convertisseur catalytique sont assurés.

Dans les moteurs Otto turbocompressés modernes , la sonde est placée après le turbocompresseur .

Opération

Un facteur lambda correct est un paramètre essentiel pour le contrôle de la combustion et la propreté des gaz évacués par le catalyseur 3 voies. Dans le monde automobile, la sonde lambda a d'abord conquis le marché américain en raison des importantes limitations légales en matière d'émissions, pour ensuite acquérir un rôle important en Europe.

Dans le moteur Otto classique, une sonde à oxygène chauffée HO2S (sonde Nernst) ou sonde λ=1 est utilisée pour mesurer le dosage . Le signal de la sonde oscille constamment entre une valeur haute et une valeur basse. Ceci découle du comportement du signal de la sonde en transit entre un mélange riche (λ<1) et un mélange pauvre (λ>1). Le signal de la sonde lambda effectue un saut caractéristique de son signal de tension lors des transits précités entre les valeurs 0,8 - 0,9 V lorsque le mélange est riche (λ<1) et 0,1-0,2 V lorsque le mélange est pauvre (λ>1) .

Assemblage

Les premières sondes lambda étaient montées sous forme de sondes digitales . Le capteur lui-même a la forme d'un bonnet avec le gaz évacué à l'extérieur et l'air de référence à l'intérieur.

Les capteurs plans à plusieurs couches dans lesquels la fonction de chauffage est déjà intégrée sont de plus en plus courants.

L'élément en céramique est entouré d'un tube de protection. La fonction est que le capteur maintient la température souhaitée et évite en même temps les dommages mécaniques. Pour que le gaz puisse pénétrer dans le tube, celui-ci comporte de petits trous.

Règlement

La sonde lambda compare en permanence la teneur résiduelle en oxygène du gaz avec la teneur en oxygène de l'air et envoie le résultat sous la forme d' un signal électrique analogique à une unité de commande électronique qui, sur la base de cette information ainsi que d'autres paramètres, enverra un signal de commande pour modifier le mélange, ce qui en général dans les moteurs Otto n'est rien d'autre qu'une adaptation de la quantité de matière injectée ou une régulation lambda. Dans les véhicules avec OBD , la fonction de régulation de la sonde lambda et la sonde de surveillance de l'unité de commande électronique doivent être vérifiées. Ce contrôle se produit sporadiquement. L'unité de commande électronique surveille :

1. la plage de tension (maximum 300 millivolts dans la sonde de régulation)
2. l'amplitude de la largeur d'impulsion
3. fréquence de régulation
4. interruption de la batterie de chauffage
5. contact avec le sol

En cas de dysfonctionnement, la centrale électronique activera l'icône OBD.

Les moteurs Diesel et les moteurs Otto dits à mélange léger ne fonctionnent pas, ou le font de manière exceptionnelle, dans la fenêtre λ. En particulier, le moteur diesel est un concept de mélange léger classique qui fonctionne toujours avec un excès d'air (λ>1). Les moteurs diesel qui émettent un mélange excessivement sombre à travers le tuyau d'échappement nécessitent généralement un entretien, ont un problème ou le mélange injecté a été manipulé au moyen de "Chip-Tuning". Pour la régulation des moteurs diesel et des moteurs Otto à mélange léger, une sonde de valeur λ=1 ne peut pas être utilisée, car le comportement des signaux à mélange léger ou lourd ne peut pas être évalué.

Sonar à large bande

A cet effet, le sonar à large bande a été créé . Le montage d'une telle sonde est plus complexe : il est constitué de couches avec des éléments chauffants intégrés. Le principe de mesure repose sur 3 parties :

• le canal de diffusion (bleu) entre la sortie de gaz et le gaz mesuré de la cellule de Nernst,
• la cellule de pompage (rose) à égale distance entre la sortie de gaz et le gaz mesuré de la cellule de Nernst,
• la cellule de Nernst (verte) entre le gaz mesuré et le gaz de référence (air).

Le gaz mesuré de la cellule de Nernst est influencé non seulement par le gaz évacué mais également par un canal de diffusion à écoulement pompé. Le débit pompé est régulé de manière à ce que le débit d'oxygène généré par le courant électrique de la cellule de pompage équilibre le débit d'oxygène du canal de diffusion ; de cette manière le gaz reste en λ=1. Le débit pompé pompe en cas de mélange chargé d' ions oxygène dans le gaz dosé de la cellule de Nernst et évacue si le mélange est léger. En fonction des caractéristiques de l'écoulement, le lambda du gaz évacué peut être déterminé. La régulation du débit est la tâche d'une puce électronique dans l'unité de commande électronique du moteur. Le capteur NOx est utilisé dans les véhicules équipés d'un convertisseur catalytique à stockage de NOx. Le montage et le mode opératoire de ces sondes sont similaires à ceux des sondes lambda à large bande.

Chauffage de la sonde

Comme la température d'un moteur froid est bien inférieure à 300 °C, le capteur (et donc le système de contrôle) ne fonctionne pas (ou fonctionne dans une mesure limitée). C'est pourquoi aujourd'hui toutes les sondes ont un élément chauffant intégré afin que la sonde atteigne la bonne température. Grâce à cela, ils garantissent le bon fonctionnement de la sonde même pendant la phase de préchauffage du moteur. La température optimale de fonctionnement est, pour les sondes λ=1, comprise entre 550 et 700 °C. Les variantes à large bande fonctionnent à des températures supérieures de 100 à 200 °C.

Aspects électriques

Pour éviter les interférences et les dysfonctionnements de l'élément de commande sensible causés par les variations de tension, la masse commune du véhicule n'est plus utilisée pour le chauffage et la tension du capteur, mais un câble séparé pour la masse et les signaux relié directement à l'unité de commande électronique.

Sonde de surveillance

Dans les moteurs Otto de dernière génération, une deuxième sonde est utilisée pour surveiller le fonctionnement du convertisseur catalytique et située derrière celui-ci. L'unité de contrôle électronique du moteur peut comparer les valeurs de la sonde avant le convertisseur catalytique avec les valeurs de la sonde de surveillance. Si le convertisseur catalytique est en parfait état, il y a une réaction ultérieure de la sonde de surveillance au signal de la première sonde. Si le pot catalytique n'est plus en parfait état, il peut perdre sa capacité de stockage d'oxygène, réduisant ainsi la distance entre la sonde du pot catalytique et la sonde de contrôle. L'unité de contrôle électronique communiquera ce problème sous la forme d'un signal d'erreur qui est stocké dans la mémoire, et une icône sera activée sur le tableau de bord .

La sonde de surveillance, en plus de diagnostiquer le pot catalytique, peut améliorer la précision de la première régulation lambda et la plausibilité de la première sonde dans le cadre de l'autodiagnostic.

Application au chauffage domestique

Grâce à l'utilisation d'une sonde lambda située dans la cheminée de la chaudière à condensation, la teneur en oxygène peut être mesurée et de cette façon le mélange peut être régulé, pour éviter une utilisation excessive d'air, ce qui conduirait à une consommation excessive d'énergie par le système chauffage.

Voir aussi

• standard électronique
• analyseur de gaz d'échappement