Per il funzionamento della sonda e per una buona  rapidità di  lettura  è  necessario che l'elemento in biossido di zirconio raggiunga una temperatura di almeno 300 °C, per far si che   la  sonda   raggiunga   il  piu'  rapidamente   possibile  la  temperatura  minima  di funzionamento ideale é da  qualche  anno  che ormai le  sonde  vengono  costruite  con  inserita una resistenza di riscaldamento, direttamente  gestita  dalla  centralina motore, per far sì che il sistema raggiunga la piena operatività nei tempi prescritti dalle omologazioni.
Per quanto riguarda le sonde possiamo suddividerle in:

-LSH riscaldate
-LSF non riscaldate

Le sonde riscaldate possono avere tre o quattro fili.
Se con tre fili vi sono  generalmente  due  bianchi  (o comunque dello stesso colore) del circuito di riscaldamento ed un filo nero del segnale.
La massa è sul corpo sonda.
Se  con  quattro  fili  i due  bianchi  sono  sempre d el circuito riscaldamento, il nero del segnale ed il grigio della massa elettronica.

Le sonde non riscaldate possono avere uno oppure due fili.
Se con  un filo  questo  non  può  che  essere  del  segnale  (massa dal corpo sonda), se con due fili il nero o il verde è del segnale ed il grigio della massa elettronica.
di seguito una descrizione di come é fatta una sonda al biossido di zirconio.
 

A                    

A

A

A

A

   A            

1
      

A                                                                        

 C                                                      DESCRIZIONE GENERICA

             La sonda lambda è un   sensore  in grado  di   misurare la percentuale  di 
             ossigeno presente nei  gas  di  scarico. Poiché   una   percentuale residua 
             è sempre presente anche  nei  gas  di   scarico   di una   miscela  ricca,  il 
             segnale della sonda  in maniera  indiretta   viene utilizzata  dalla ECU per
             regolare la composizione della  miscela,  per permettere al c atalizzatore
             di funzionare al  meglio, quindi  di  abbattere  la maggior  parte  dei  gas
             nocivi e per permettere che quante piu' parti possibili di CO si trasformino
             nel meno nocivo CO2.
             Per far cio' necessita  che il  rapporto aria carburante  rimanga all'interno
             di valori  ben precisi ed  è  indispensabile  che  la centralina  di  gestione
             motore possa verificare tale rapporto ed operare le necessarie correzioni
             per mantenerlo all'interno dei valori ottimali.
             Questa misura viene effettuata in  maniera indiretta rilevando la quantità
             di ossigeno ancora presente  nei  gas combusti  ed il sensore  preposto  a
             questa misura è la sonda lambda.
             Questa sonda restituisce  un segnale in  tensione  (o in corrente), dipende
             dal tipo di sonda  usata  dal costruttore  e dal tipo di motore,  in  funzione
             delle concentrazione di ossigeno  nei gas  di scarico ed  è  perfettamente
             adatto alla  necessità di  cui  abbiamo  parlato  sopra  anche  se  non é in
             grado  di  rilevare  l'effettivo   rapporto aria carburante  che non dipende
             solo dalla  quantità di  ossigeno  presente  nei gas di  scarico  ma  da  un

             complesso insieme di fattori tra cui anche  il tipo  di motore e la strategia
             di funzionamento utilizzata per  permettere al  carburante  di sprigionare
             la maggior quantità di energia possibile.
             I moderni   motori ad  iniezione   stratificata  e iniezione diretta sono stati
             studiati  per  riuscire a  funzionare  con   rapporti  aria   carburante  molto

             superiori  al  canonico  14,7:1 quindi  anche  le strategie   di  controllo del

             valore  lambda  sono  cambiate  e   con   esse   anche  i   sensori  lambda

             utilizzati.
            
             Esistono vari tipi di sonde lambda a seconda dei principi di funzionamento
             sui   quali   si  basano  ed   il  loro    utilizzo   dipende   dalla   strategia  di
             funzionamento   del   motore   e   dal  tipo  di  controllo  che  il  costruttore
             preferisce utilizzare.

            Sonda al biossido di Zirconio:
            ( la prima e piu' comune sonda utilizzata )
            Sonda al Titanio
            Sonda LSU
 

                                                     FATTORE LAMBDA

                La    lettera   greca   ( λ  )   é stata usata per  rappresentare il   rapporto
                aria-benzina ideale entro il quale il catalizzatore lavora al meglio.
                Si è stabilito inoltre in forma empirica che  su  un motore  con   sonda
                lambda (al biossido di zirconio) il LAMBDA ideale = 1 rappresenta il
                rapporto stechiometrico  della miscela teorico ideale  di 14,7:1, quindi
                14,7 parti di aria per 1 parte di carburante.
                λ = quantità aria aspirata : quantità di aria teorica che serve a bruciare
                il combustibile


                                   FUNZIONAMENTO GENERICO SONDA LAMBDA

                Il   sensore    lambda  è situato   nel   collettore  di   scarico  a   monte
                del catalizzatore. La temperatura  ideale per il   funzionamento 
                si aggira intorno ai 600°C. Ciò significa che se   non  raggiunge  la  sua 
                temperatura di lavoro la sonda o non è   operativa  o  ha  un tempo  di 
                reazione molto lento. Per superare questi problemi è  stata  sviluppata 
                una  versione  riscaldata con una particolare resistenza detta P.T.C.
                Viene utilizzata questo tipo di  resistenza  in modo tale che  a  raggiun
                gimento della temperatura ideale di funzionamento  la  sonda sia man
                tenuta calda dai gas di scarico e non piu' dalla  stessa   resistenza  che
                potrebbe surriscaldarla se  in funzione in modo continuo. (  quest   tipo
                di resistenza si interrompe quando la  temperatura   supera quella limi
                te di costruzione e   riprende a  funzionare  non appena la  stessa scen
                de al disotto di tale limite). In questo  modo  il sensore   raggiunge rapi
                damente la sua  temperatura di  esercizio  e  puo'  essere   posizionato
                piu' a valle evitando eccessivi  surriscaldamenti ed  allungando la vita
                del sensore.
                I segnali di tensione generati dal  sensore sono  trasmessi  alla centrali
                na che reagisce aumentando o diminuendo  il tempo  di apertura   dell’
                iniettore per diminuire od aumentare il rapporto aria-carburante. 
                Questo sistema si  chiama  a  circuito chiuso  ( closed loop),  per  cui  la
                miscela  aria/carburante   viene   mantenuta   sempre  entro   i  limiti di
                funzionamento   ideale   del  catalizzatore   e  quindi  sempre  vicini  al
                 LAMBDA=1 .
                In  particolari   condizioni   di    funzionamento  motore/catalizzatore la
                centralina  non  utilizza  il  segnale  proveniente  dalla  sonda  lambda:
                in rilascio ( cut-off ), a  piena potenza,  a  regimi  di  giri superiori a 4500
                giri, tale condizione di funzionamento  viene  definita  ad  anello aperto
                ( open loop ),  questo  perché  in   particolari   condizioni  del  motore la
                miscela  viene  ingrassata  per  permettere  al motore di esprimere tutta
                la potenza possibile ed in queste  condizioni  non  si  tiene  conto  della
                massima efficienza del  catalizzatore  che  invece   diventa   importante

                in tutte quelle condizioni che  si  presume  siano piu' frequenti in città o
                o comunque in luoghi molto trafficati.

                Per mezzo di tale sensore  il rapporto stechiometrico  viene  mantenuto   
                entro   tolleranze   molto    piccole   e    vicine   al   rapporto   ideale  di 
                lambda=1 quando il sistema centralina/sonda lavora in closed loop.

                Questo sensore  genera   una  tensione    elettrica   proporzionale   alla 
                quantita di ossigeno presente nella miscela che per la sonda al biossido

                di zirconio è   compresa  tra ( 0 volt )  ed  (1 volt),  quindi  tenendo come 
                riferimento di miscela ideale lambda=1  una tensione di 0,4volt (400mv), 
                quando la sonda genera una tensione vicina a  0volt indica una miscela
                magra lambda >1 quindi ricca di ossigeno, invece  una  tensione  vicina
                ad 1volt indica una miscela grassa, lambda<1 quindi povera di ossigeno.
                Non in tutti i motori viene considerata ideale una tensione di riferimento

                di 0,4volt,   quindi   alcuni    motori   potrebbero  avere  impostato  come
                riferimento valori di  tensione  leggermente  inferiori a  0,4volt e  quindi
                con lambda leggermente inferiori a  quello  che  genericamente  e solo
                in forma empirica teorica considerato ideale di 14,7:1.
                In fase di controllo vedremo cosa puo' cambiare.
                 

A               

Questo tipo di sonda ha una curva di lettura del contenuto di ossigeno nei gas di scarico dalla minima    alla   massima  concentrazione   possibile    molto  lineare  e  proporzionale  e non
come per la sonda al biossido di zirconio  che ci restituisce  un   variazione   lineare  solo per concentrazioni di ossigeno prossime al valore di 14,7.1 quindi di lambda=1.
Quindi   non    avremo   piu'  una    brusca  variazione    della    curva  di   tensione quando la concentrazione di ossigeno tende ad allontanarsi dal  lambda=1 ma  bensì ha un  andamento pressoché lineare da valori lambda prossimi allo 0,7 fino a quasi 1,5.
Questo è indispensabile  in  quei  processi dove  la combustione  avviene  in eccesso  di  aria (tipicamente motori Diesel e ciclo Otto lean burn) dove una sonda tradizionale darebbe quasi sempre una generica quanto inutile indicazione di "magro".

Costruttivamente    la  sonda  LSU è  costituita  da tre  celle, una  di   concentrazione,  una  di pompaggio ed una di riferimento più il solito elemento riscaldante.
Le celle sono realizzate con  un materiale  che  già  conosciamo, l'affidabile   ed   economico biossido di zirconio e gli elettrodi di rivestimento sono, al solito, in platino.



                                                     

                                                         FUNZIONAMENTO

La cella di concentrazione (4) e cella di pompaggio (5) sono "comunicanti" col flusso  dei gas di scarico tramite una fessura di misurazione della dimensione di circa 10/50 micrometri (6).
La composizione  dei   gas    all'interno  della  fessura  di  misurazione  viene  costantemente mantenuta al valore lambda = 1 variando   la  tensione   applicata agli elettrodi della cella di pompaggio (migrazione elettrochimica degli ioni ossigeno).
Questa cella può indurre gli ioni ossigeno a migrare da una parte all'altra (per mantenerne la concentrazione desiderata).

In queste    condizioni    (lambda = 1)  la  tensione Vs  ai  capi  degli  elettrodi  della  cella  di concentrazione è di 450 mV, quindi per lambda=1 verrà  impostata in centralina una tensione di riferimento di 450mV.

In queste sonde il segnale vero e proprio è costituito dalla corrente Ip necessaria alla pompa d’ossigeno (cella di pompaggio, 5) per mantenere Vs a 450 mV.
Il valore di corrente Ip è utilizzato dalla centralina per il controllo dei gas di scarico.

In caso di miscela  ricca   avremo  scarsità   di   ossigeno   in  camera 6 e  quindi  un  elevato passaggio, attraverso la cella di concentrazione (4), di ioni ossigeno dal canale di riferimento aria atmosferica (2) alla camera (6).

Questo passaggio di ioni   genera   una   tensione   (Vs)   ai capi   degli elettrodi della cella di concentrazione (4) che applicata all'amplificatore   operazionale genererà una tensione Vout superiore alla Vref ed una conseguente corrente Ip nella cella di pompaggio.
La corrente sulla cella di pompaggio comporterà  una  migrazione  di  ioni ossigeno  verso il traferro di diffusione (6) fino al ristabilirsi dell'equilibrio. 

La misura della corrente Ip sarà la nostra indicazione  relativa alla quantità di  ossigeno  nei gas di scarico.

Nel caso opposto di miscela povera vi  sarà  una  scarsa  migrazione  di  ioni  ossigeno  dalla camera 2 verso   la 6, la    tensione Vs  sarà  conseguentemente   bassa  e la  circolazione di corrente (Ip) attraverso la cella di pompaggio   assumerà  direzione  opposta  in  modo da far migrare ioni ossigeno verso i gas di scarico così da   riportare il flusso  tra  la camera 2 e la 6 alla normalità ed avere ai capi degli elettrodi della cella di concentrazione la solita Vs.
Al solito la misura di corrente Ip sarà il valore che ci interessa.

Tornando ai colori dei cavi (se Bosch) abbiamo i capi  della resistenza  di  riscaldamento  sul grigio e sul bianco, tra il giallo ed il nero abbiamo la Vref (450 mV) sui quali possiamo fare la misurazione della corrente Ip, sul cavo rosso si trova una tensione variabile che varia in funzione della variazione della corrente Ip e che per lambda=1 sarà compresa tra 2.4 e 2.6 V.
Quindi per verificarne il funzionamento posso controllare o la corrente Ip sui fili giallo o nero
o la tensione sul filo rosso.
Per capire se la centralina lavora con lambda=1 basta verificare la tensione Vs in uscita dalla centralina che sarà di 450mV ( uguale alla Vrf della sonda ), in tal  caso la  corrente Ip  dovrà oscillare tra -0,10mA e +0,10mV e la tensione  sul filo  rosso  sarà  compresa tra 2.4 e 2.6volt.
Nel connettore è di norma presente una  resistenza  di  taratura  quindi in  caso  di danni alla connessione non è possibile eseguire riparazioni saldando direttamente i fili.


Quindi se la la centralina lavora con lambda=1  la corrente Ip tenderà a zero.
Se i gas di scarico sono poveri o ricchi  di ossigeno   si attiverà   un "flusso" di   ioni ossigeno nella cella di pompaggio grazie alla corrente Ip.
Il valore   di   questa corrente (Ip), di   pochi mA,  indica   in   maniera   abbastanza lineare la concentrazione di ossigeno nei gas di scarico.

Nelle tabelle seguenti ci sono i valori di corrente Ip per fattore lambda da 0.686 a 1.405.
Il valore  1,000 è il valore stechiometrico.

 

                                                                      DESCRIZIONE 

La sonda lambda LSU  (sonda lambda universale) a banda larga è  una  nuova  generazione
di sonde lambda usate a monte del catalizzatore.

Il valore  lambda  non  avviene  più  calcolato   mediante   variazione  di   una tensione, ma
bensi dalla variazione lineare   di una  intensità  di  corrente.
Hanno 5 fili e lavorano in un range di tensione che va dai 0,5 - 5 Volt.

           VALORI LAMBDA E AFRs DI ALCUNI TIPI DI COMBUSTIBILI

                                       SONDE AL TITANIO

Le sonde al Titanio basano il loro  funzionamento   sulla  variazione  di  resistenza dell'elemento in biossido di titanio al variare della quantità di ossigeno.
Non  essendo  un  "generatore"   come    la sonda  allo  zirconio  necessita  di   una
alimentazione da parte della centralina.
Possiamo trovare  sonde   alimentate ad 1 oppure a 5 V,  il  segnale  restituito  sarà
quindi variabile tra 0/1 V oppure 0/5 circa.
Le sonde al Titanio  sono  generalmente   riscaldate,  raggiungono  rapidamente le condizioni di funzionamento e "sopportano" pure l'utilizzo di benzina col Piombo.
Le configurazioni abituali prevedono versioni a tre e a quattro fili.
Questo tipo di   sonda puo'  essere  usata  come  una sonda  al biossido di   zirconio
(narrow band) alimentandola con una  tensione di  1volt o come una  pseudo sonda
a banda larga LSU (wide band) alimentandola a 5volt.
Questo tipo di sonda possiamo trovarla sono con tre o 4 fili.
Se con tre fili il nero è del segnale, il rosso ed il bianco sono del riscaldatore (+ e -).
Le versioni a quattro fili esistono in due varianti, dove nero e giallo sono sempre del segnale (- e +), rosso e bianco del riscaldatore (+ e -) nella prima variante,  grigio  e bianco (+ e -) nella seconda.