Como funciona o sensor de oxigênio?

Em Automóveis e veículos por André M. Coelho

Os sistemas de controle computadorizado de hoje utilizam informações de uma variedade de sensores para regular o desempenho do motor, emissões e outras funções importantes. Os sensores devem fornecer informações precisas, caso contrário podem ocorrer problemas de dirigibilidade, podendo resultar em maior consumo de combustível e falhas de emissão.

Um dos principais sensores deste sistema é o sensor de oxigênio. É freqüentemente chamado de sensor “O2” porque o O2 é a fórmula química do oxigênio (os átomos de oxigênio sempre viajam em pares, nunca sozinhos).

Qual a história do sensor de oxigênio?

O primeiro sensor de O2 foi introduzido em 1976 em um Volvo 240. Os veículos da Califórnia os adquiriram em 1980, quando as regras de emissão da Califórnia exigiam emissões mais baixas. As leis federais de emissão tornaram os sensores de O2 praticamente obrigatórios em todos os carros e caminhões leves construídos desde 1981. E agora que os regulamentos do OBD-II estão aqui (1996 e veículos mais recentes), muitos veículos agora estão equipados com vários sensores de O2, alguns até quatro!

Como é o funcionamento da sonda de oxigênio?

O sensor de O2 é montado no coletor de escape para monitorar a quantidade de oxigênio não queimado no escapamento quando o escapamento sai do motor. O monitoramento dos níveis de oxigênio no escapamento é uma maneira de medir a mistura de combustível. Ele informa ao computador se a mistura de combustível está queimando rica (menos oxigênio) ou pobre (mais oxigênio).

Muitos fatores podem afetar a riqueza ou a inclinação relativa da mistura de combustível, incluindo temperatura do ar, temperatura do líquido de arrefecimento do motor, pressão barométrica, posição do acelerador, fluxo de ar e carga do motor. Também existem outros sensores para monitorar esses fatores, mas o sensor de O2 é o monitor principal do que está acontecendo com a mistura de combustível. Consequentemente, qualquer problema com o sensor de O2 pode deixar todo o sistema fora de controle.

Ciclos do sensor O2 do carro

O computador usa a entrada do sensor de oxigênio para regular a mistura de combustível, chamada de “ciclo de controle de feedback” do combustível. O computador segue as dicas do sensor de O2 e responde alterando a mistura de combustível. Isso produz uma alteração correspondente na leitura do sensor de O2. Isso é chamado de operação de “ciclo fechado” porque o computador está usando a entrada do sensor de O2 para regular a mistura de combustível. O resultado é um flip-flop constante que vai do rico para o pobre, o que permite que o conversor catalítico opere com eficiência máxima, mantendo a mistura geral média de combustível em equilíbrio adequado para minimizar as emissões. É uma configuração complicada, mas funciona.

Quando nenhum sinal é recebido do sensor de O2, como é o caso quando um mecanismo frio é iniciado pela primeira vez (ou o sensor 02 falha), o computador solicita uma mistura de combustível rica fixa (imutável). Isso é chamado de operação de “circuito aberto” porque nenhuma entrada é usada no sensor de O2 para regular a mistura de combustível. Se o motor não entrar no circuito fechado quando o sensor de O2 atingir a temperatura operacional ou sair do circuito fechado porque o sinal do sensor de O2 foi perdido, o motor ficará rico demais, causando um aumento no consumo de combustível e nas emissões. Um sensor de líquido de arrefecimento ruim também pode impedir que o sistema entre em loop fechado porque o computador também considera a temperatura do líquido de arrefecimento do motor ao decidir se deve ou não entrar em loop fechado.

O sensor de oxigênio é essencial para o melhor consumo de combustível no veículo. (Foto: YouTube)

Como funciona o sensor de oxigênio do veículo?

O sensor de O2 funciona como um gerador em miniatura e produz sua própria tensão quando fica quente. Dentro da tampa ventilada na extremidade do sensor que aparafusa no coletor de escape, há uma lâmpada de cerâmica de zircônio. A lâmpada é revestida por fora com uma camada porosa de platina. Dentro da lâmpada existem duas tiras de platina que servem como eletrodos ou contatos.

A parte externa da lâmpada é exposta aos gases quentes no escapamento, enquanto a parte interna da lâmpada é ventilada internamente através do corpo do sensor para a atmosfera externa. Na verdade, os sensores de oxigênio de estilo mais antigo têm um pequeno orifício na carcaça para que o ar possa entrar no sensor, mas os sensores de O2 de estilo mais novo “respiram” através de seus conectores de fio e não têm orifício de ventilação.

É difícil de acreditar, mas a pequena quantidade de espaço entre o isolamento e o fio fornece espaço suficiente para o ar penetrar no sensor (por esse motivo, a graxa nunca deve ser usada nos conectores do sensor de O2, pois pode bloquear o fluxo de ar). A ventilação do sensor através dos fios, em vez de com um orifício no corpo, reduz o risco de contaminação por sujeira ou água que pode sujar o sensor por dentro e causar falhas. A diferença nos níveis de oxigênio entre o ar de exaustão e o ar externo dentro do sensor faz com que a tensão flua através da lâmpada de cerâmica. Quanto maior a diferença, maior a leitura de tensão.

Um sensor de oxigênio normalmente gera cerca de 0,9 volts quando a mistura de combustível é rica e há pouco oxigênio não queimado no escapamento. Quando a mistura é enxuta, a tensão de saída do sensor cai para cerca de 0,1 volts. Quando a mistura ar / combustível é equilibrada ou no ponto de equilíbrio de cerca de 14,7 a 1, o sensor lê em torno de 0,45 volts.

Quando o computador recebe um sinal rico (alta tensão) do sensor de O2, ele inclina a mistura de combustível para reduzir a leitura do sensor. Quando a leitura do sensor de O2 fica fraca (baixa tensão), o computador reverte novamente, tornando a mistura de combustível rica. Esse constante movimento inverso da mistura de combustível ocorre com velocidades diferentes, dependendo do sistema de combustível. A taxa de transição é mais lenta em motores com carburadores de realimentação, normalmente uma vez por segundo a 2500 rpm. Os motores com injeção no corpo do acelerador são um pouco mais rápidos (2 a 3 vezes por segundo a 2500 rpm), enquanto os motores com injeção multiportas são os mais rápidos (5 a 7 vezes por segundo a 2500 rpm).

O sensor de oxigênio deve estar quente (cerca de 315 graus ou mais) antes de começar a gerar um sinal de tensão, muitos sensores de oxigênio têm um pequeno elemento de aquecimento interno para ajudá-los a atingir a temperatura operacional mais rapidamente. O elemento de aquecimento também pode impedir que o sensor esfrie demais durante o tempo ocioso prolongado, o que faria com que o sistema voltasse ao ciclo aberto.

Os sensores de O2 aquecido são usados principalmente em veículos mais novos e normalmente têm 3 ou 4 fios. Os sensores de O2 de fio único mais antigos não possuem aquecedores. Ao substituir um sensor de O2, verifique se ele é do mesmo tipo que o original (aquecido ou não).

Sensores de O2 com OBDII

Começando com alguns veículos em 1994 e 1995 e todos os veículos de 1996 e os mais novos, o número de sensores de oxigênio por motor dobrou. Um segundo sensor de oxigênio é agora usado a jusante do conversor catalítico para monitorar a eficiência operacional do conversor. Nos motores V6 ou V8 com escapamentos duplos, isso significa que até quatro sensores de O2 (um para cada banco de cilindros e um após cada conversor) podem ser usados.

O sistema OBDII foi projetado para monitorar o desempenho das emissões do motor. Isso inclui vigiar qualquer coisa que possa causar aumento de emissões. O sistema OBDII compara as leituras de nível de oxigênio dos sensores de O2 antes e depois do conversor para verificar se o conversor está reduzindo os poluentes no escapamento. Se houver pouca ou nenhuma alteração nas leituras do nível de oxigênio, significa que o conversor não está funcionando corretamente. Isso fará com que a lâmpada indicadora de mau funcionamento (MIL) acenda.

Diagnóstico do sensor de O2

Os sensores de O2 são incrivelmente robustos, considerando o ambiente operacional em que vivem. Mas os sensores de O2 se desgastam e, eventualmente, precisam ser substituídos. O desempenho do sensor de O2 tende a diminuir com o tempo à medida que os contaminantes se acumulam na ponta do sensor e gradualmente reduz sua capacidade de produzir tensão.

Esse tipo de deterioração pode ser causado por uma variedade de substâncias que entram no escapamento, como chumbo, silicone, enxofre, cinzas de óleo e até alguns aditivos de combustível. O sensor também pode ser danificado por fatores ambientais, como água, salpicos de sal da estrada, óleo e sujeira.

À medida que o sensor envelhece e fica lento, o tempo que leva para reagir às mudanças na mistura ar / combustível diminui, o que causa o aumento das emissões. Isso acontece porque o flip-flopping da mistura de combustível é mais lento, o que reduz a eficiência do conversor. O efeito é mais perceptível em motores com injeção multiportas de combustível (MFI) do que em carburador eletrônico ou injeção do corpo do acelerador porque a proporção de combustível muda muito mais rapidamente nas aplicações de MFI.

Se o sensor morrer por completo, o resultado pode ser uma mistura rica e fixa de combustível. O padrão na maioria das aplicações injetadas de combustível é de médio alcance após três minutos. Isso causa um grande salto no consumo de combustível e nas emissões. E se o conversor superaquecer devido à rica mistura, ele poderá sofrer danos. Um estudo da EPA descobriu que 70% dos veículos que falharam em um teste de emissões I / M 240 precisavam de um novo sensor de O2.

A única maneira de saber se o sensor de O2 está fazendo seu trabalho é inspecioná-lo regularmente. É por isso que alguns veículos (principalmente importados) têm uma luz de lembrete de manutenção do sensor. Um bom momento para verificar o sensor é quando as velas de ignição são trocadas.

Você pode ler a saída do sensor de O2 com uma ferramenta de varredura ou voltímetro digital, mas as transições são difíceis de ver porque os números saltam muito. É aqui que um scantool baseado em PC, realmente brilha. Você pode usar os recursos gráficos para assistir às transições da tensão dos sensores de O2. O software exibirá a saída de tensão do sensor como uma linha ondulada que mostra a amplitude (tensão mínima e máxima) e a frequência (taxa de transição de rica para magra).

Um bom sensor de O2 deve produzir uma forma de onda oscilante em marcha lenta que faça transições de tensão do mínimo próximo (0,1 v) para o máximo próximo (0,9v). Tornar a mistura de combustível artificialmente rica alimentando propano no coletor de admissão deve fazer com que o sensor responda quase imediatamente (em 100 milissegundos) e atinja a saída máxima (0,9v). Criar uma mistura pobre ao abrir uma linha de vácuo deve fazer com que a saída do sensor caia para o valor mínimo (0,1v). Se o sensor não girar para frente e para trás com rapidez suficiente, isso pode indicar a necessidade de substituição.

Se o circuito do sensor de O2 abrir, entrar em curto ou ficar fora da faixa, ele poderá definir um código de falha e acender a luz indicadora de verificação do mecanismo de falha ou do mecanismo de verificação. Se um diagnóstico adicional revelar que o sensor está com defeito, é necessária a substituição. Mas muitos sensores de O2 que estão muito degradados continuam a funcionar bem o suficiente para não definir um código de falha – mas não o suficiente para impedir um aumento nas emissões e no consumo de combustível. A ausência de um código de falha ou lâmpada de aviso, portanto, não significa que o sensor de O2 esteja funcionando corretamente.

Substituição do sensor de oxigênio

Qualquer sensor de O2 que esteja com defeito obviamente precisará ser substituído. Mas também pode haver benefícios em substituir o sensor de O2 periodicamente para manutenção preventiva. A substituição de um sensor de O2 envelhecido que fica lento pode restaurar o pico de eficiência de combustível, minimizar as emissões de escape e prolongar a vida útil do conversor.

Os sensores de O2 de 1 ou 2 fios não aquecidos de 1976 até o início dos anos 90 podem ser substituídos a cada 50.000 a 80.000 quilômetros. Os sensores de O2 aquecidos de 3 e 4 fios em aplicações entre meados da década de 1980 e meados da década de 90 podem ser alterados a cada 150.000 quilômetros. Em veículos equipados com OBDII (1996 e acima), é recomendado um intervalo de substituição de 150.000 quilômetros.

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Sobre o autor

O pai de André já teve alguns carros clássicos antes de falecer, como Diplomata, Chevette e Opala. Após completar 18 anos, tirou carteira de moto e carro, comprando então sua primeira moto, uma Honda Sahara 350. Fez um curso de mecânica de motos para começar uma restauração na moto, e acabou aprendendo também como consertar alguns problemas de carros. Seu primeiro carro foi uma Nissan Grand Livina de 2014 e pretende em breve comprar uma picape diesel. No caminho, vai compartilhando tudo que aprende no site Carro de Garagem.

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