Oggi parliamo di……Sonda Lambda (e secondariamente del catalizzatore)

di Alessandro Ancarani

Iniziamo subito con una precisazione.
“Oggi parliamo di sonda lambda” è un eufemismo.
Meglio sarebbe dire “quest’anno parliamo di sonda lambda”, tanto è smisurato l’argomento.
Sonde lineari, al tantalio, allo ziconio, a banda larga, UEGO, 0-1 volts, 0-5 volts, a un filo, a quattro fili, con riscaldatore, senza riscaldatore etc etc.
Ma visto che siamo nivisti parleremo di quelle che ci riguardano ovvero le sonde allo zirconio, 0-1 volts a quattro fili.
Che cosa è la sonda lambda?
La sonda lambda è una specie di naso che analizza i gas di scarico.
Ma non è che annusa tutto, annusa solo l’ossigeno, che per il nostro naso è quello che, per ironia della sorte, ha meno odore di tutti.
A cosa serve la sonda lambda?
Torniamo indietro.
Anzi molto indietro.
Nelle vetture moderne per ridurre le emissioni inquinanti si monta il catalizzatore che serve ad abbattere la stragrande maggioranza delle sostenze nocive.
Il tipo di catalizzatore più usato, anche sulla niva sia Spi che Mpi, è quello a tre vie.
Cosa vuol dire a tre vie?
Tre vie non vuole dire che ha tre tubi, cosa che molti credono(e non sto scherzando, anzi ci rimangono male quando scoprono che di tubi ce ne sono solo due uno di entrata ed uno di uscita)ma che tratta tre tipi di inquinanti.
Queste sostanze sono la CO, gli NOX e gli HC.
La CO è il monossido di carbonio, gli NOX sono gli ossidi di azoto e gli HC sono gli idrocarburi incombusti.
La CO (monossido di carbonio) è il risultato della combustione incompleta del carbonio che invece di arrivare allo stato finale di CO2 (anidride carbonica) si ferma ad uno stadio di parziale ossidazione.
La CO è molto pericolosa, per gli esseri viventi come l’uomo, perchè si fissa stabilmente con l’emoglobina dei globuli rossi del sangue impedendo il normale trasporto di ossigeno. Se in quantità elevata il soggetto muore per soffocamento ne più ne meno come se venisse strangolato.
Gli NOX sono gli ossidi di azoto. L’azoto(normale componente dell’aria che respiriamo nella percentuale dell 80%) può avere diverse configurazioni. In pratica gli ossidi di azoto(o anidridi dell’azoto) a contatto con l’acqua contenuta nell’atmosfera diventano acidi(acido nitrico, nitroso etc).
Queste sono sostanze molto corrosive e nocive per il nostro apparato respiratorio oltre che per l’ambiente(avete presente le statue delle grandi città che hanno il naso e le dita corrose?)
Ultimi, ma non meno pericolosi sono gli HC ovvero le molecole di idrocarburi che non sono state bruciate completamente. Sono sostanze molto reattive che interagiscono con il nostro corpo in una moltitudine di modi ma sempre creando danni strutturali oppure formando sostanze carcinogene(tumorali).
La quantità di queste sostanze nei gas di scarico dei motori endotermici varia in funzione della combustione.
Se la combustione avviene in mancanza di ossigeno(carburazione grassa) si formano maggiori quantità di CO e HC. Se la carburazione avviene in eccesso di ossigeno si formano molti NOX(classico dei motori diesel che sono combustioni sempre in ecceso di ossigeno). Come eliminare queste sostanze che sono normali prodotti della combustione dei motori endotermici?
Ci pensa il catalizzatore. La centralina fa oscillare la carburazione continuamente attorno al valore stechiometrico di 14,5/1 ovvero oscilla tra una situazione di leggermente grasso ad una di leggermente magro.
Durante la fase di carburazione magra il motore produce molti ossidi di azoto che giungono nel catalizzatore e vengono scissi in azoto molecolare N2 ed ossigeno O2 che viene trattenuto nel catalizzatore (azione di oxigen storage del catalizzatore). Durante la fase di carburazione grassa il motore produce molta CO(monossido di carbonio) ed HC(idrocarburi incombusti). Questi arrivano nel catalizzatore dove assorbono l’ossigeno immagazzinato(oxige storage) durante la fase di carburazione magra.
Il risultato finale è che gli ossidi di azoto vengno trasformati in azoto molecolare come l’80% dell’aria che respiriamo, la CO(monossido di carbonio) viene ossidata ad anidride carbonica come quella che c’è nell’aria che espiriamo dai polmoni, gli HC vengono ossidati in acqua e anidride carbonica.
Alla fine del processo di tutte le sostanze dannose che arrivano al catalizzatore rimangono solo azoto molecolare, anidride carbonica ed acqua. Che sono assolutamente innocue rispetto ai prodotti in entrata.
Ma il meccanismo funziona solo se la carburazione è stechiometrica ovvero l’aria, il comburente, è in proporzioni ottimali rispetto al carburante o meglio oscilla strettamente attorno al valore stechiometrico che per i motori a benzina è di 14,5 a 1(14,5 parti di aria per 1 parte di benzina).
E qui entra in azione la sonda lambda.
La sonda lambda è formata(per schemi) da due elettrodi di platino separati da un elemento di zirconio.
Un elettrodo è a contatto con l’aria atmosferica, l’altro con i gas di scarico.
Maggiore è la differenza tra la concentrazione dell’ossigeno interno ed esterno, maggiore è la corrente prodotta.
Per cui quando la carburazione è magra e nel gas di scarico c’è tanto ossigeno rimasto dalla combustione il voltaggio della sonda è basso prossimo allo zero. Quando la carburazione è grassa, e nei gas di scarico di ossigeno ce ne è poco, la differenza di concentrazione dell’ossigeno con l’aria atmosferica è grande, quindi gli elettrodi della sonda generano una tensione elevata, di valore massimo 1 volts. Per cui in sintesi: 0 volts -> carburazione magra; 1 volts -> carburazione grassa.
La centralina (ECU) della vettura fa continuamente questo lavoro, sente che la carburazione è magra(voltaggio prossimo allo zero)ed allora ingrassa, dopo sente che la carburazione è grassa(voltaggio prossimo a 1 volts) ed allora smagrisce. E cosi con una frequenza di 2-3 volte al secondo.
Per funzionare al meglio (o meglio per funzionare) la sonda allo zirconio deve lavorare a temperature di 300-400 gradi. Per ridurre il tempo di attesa di entrata in temperatura e mantenerla costante, nonostante le variazioni termiche create dall’esercizio del motore, la sonda è dotata di un riscaldatore elettrico formata da una resistenza.
Quanto prima la sonda si scalda, quanto prima inizia a lavorare, quanto prima inizia a ridurre le emissioni nocive.
Come è fatta la sonda lambda della Niva?
La sonda lambda della niva Mpi(quella prima del catalizzatore) è una specie di grosso bullone(chiave del 24) avvitata sul tubo di scarico prima del catalizzatore. Ha 4 fili. Due fili bianchi, che sono i fili per la resistenza del riscaldatore della sonda, un filo grigio che è la massa ed un filo nero che è il segnale emesso dalla sonda.
La Spi è uguale alla sonda della Mpi solo che ha i colori dei fili diversi (due fili marroni che sono per il riscaldatore e corrispondono ai due fili bianchi, un filo viola che è il segnale ed è uguale al filo nero, un filo beige che è la massa ed è uguale al filo grigio).
Tenendo conto di questa corrispondenza tra fili:
bianco -> marrone
bianco -> marrone
nero -> viola
grigio -> beige
le due sonde, per la Mpi e Spi sono perfettamente compatibili ed interscambiabili.
Controllo della sonda lambda.
Il massimo sarebbe avere lo strumento NTS della Lada.
Ma basta anche il solito scanner da OBDII.
Selezionata la sonda lambda precatalizzatore, in genere segnata come sensore banco 1 posizione 1, vedere come oscilla, ovvero che tensione da. In genere oscilla tra 0.2 <-> 0-8 volts con una frequenza di circa 2-3 volte al secondo.
Se la sonda non oscilla e rimane costante a 0.4 <-> 0.5 volts oppure si pianta stabile a 0 volts oppure a 1 volts è segno che la sonda è andata.
Con la vettura in marcia la sonda deve segnare 0 volts nei rilasci per balzare a 0,8 volts negli affondi.
Se non fa nulla di tutto ciò vuol dire che la sonda non funziona.
Molti scanner da OBDII(direi tutti) hanno anche la funzione di diagnosi della sonda e la misura dei parametri e le specifiche vengono controllate in automatico. Finita la diagnosi, ovvero pochi secondi, lo strumento dice se la sonda va bene o va male.
Ma un controllo visivo diretto di come oscilla la sonda è più professionale.
Leggermente più difficile vedere come funziona il riscaldatore della sonda.
In genere basta vedere il valore della resistenza del riscaldatore.
Con il suo strumento NTS Lada è un valore visibile sullo schermo, lo strumento OBDII non contempla questa misura.
Come fare?
Basta staccare la spina della sonda lambda e con un tester da elettronica controllare, a sonda calda, che tra i fili bianchi ci sia una resistenza di 8-13 Ohm.
ATTENZIONE ALLE SCOTTATURE QUANDO SI FA QUESTA PROVA.
Per cui meglio lo strumento NTS Lada.
In ogni caso bisogna anche dire che è una diagnosi secondaria, perchè se la sonda funziona male poco importa se è colpa degli elettrodi di platino o del riscaldatore. Non essendo smontabile e quindi riparabile la sonda va cambiata in toto.
Cosa danneggia la sonda lambda.
La sonda lambda è uno strumento abbastanza delicato.
Per primo la sonda può essere danneggiata da colpi ed urti che rompano la parte in zirconio e l’involucro della sonda.
Per cui male non fa maneggiarla con prudenza evitando che cada per terra.
Seconda cosa pericolosa per la sonda sono gli inquinanti chimici.
Gli elettrodi di platino e la parte in zirconio male tollerano i metalli pesanti per cui la benzina con il piombo tetraetile(la vecchia super per fortuna non più disponibile al distributore) mette fuori uso la sonda in poco tempo rivestendo l’elettrodo di platino di una patina di piombo.
Si dice che la sonda è avvelenata.
Stessa cosa fanno i sigillanti al silicone(se non specificatamente studiati e che riportano sulla confezione che non danneggiano la sonda).
Attenzione anche al liquido di raffreddamento che in caso di rottura della guarnizione della testata può finire nel tubo di scarico.
Perdite importanti di olio dai segmenti, dalle guide valvole etc possono sporcare la sonda ostruendo con depositi carboniosi le feritoie che fanno passare il gas verso l’interno della sonda dove sono gli elettrodi di platino.
Per ultimo ricordarsi, quando si monta la sonda, di stringerla poco. Altrimenti con l’uso, il calore dei gas di scarico e la ruggine, si salda nella sede nella quale è avvitata(ovvero grippa la filettatura) e diventa impossibile svitarla. Nessun problema per i contatti elettrici in quanto la sonda a 4 fili possiede già di suo le masse(uno dei fili bianchi è la massa del riscaldatore, il filo grigio è la massa degli elettrodi di platino) e quindi non ha bisogno di essere stretta molto per fare massa. Fine di questa chiacchierata sulle sonde lambda, rimane l’amarezza di aver trattato un argomento vasto come questo con la superficialità di uno che interrogato dopo aver letto un trattato sulla Seconda Guerra Mondiale risponda solo che parla di gente che sparava, consola invero un pochino il fatto che nessuno scrivendo sia riuscito a descrivere il sapore del gelato di crema.