Sondes Lambda

Automobiles et environnement

Lors de l’inflammation dans la chambre de combustion, l’essence produit des éléments inoffensifs comme de l’eau, du dioxyde de carbone et de l’azote mais aussi des émissions nocives telles que le monoxyde de carbone, l’oxyde d’azote et des hydrocarbures.

Depuis de nombreuses années, les pouvoirs publics et l’industrie automobile ont engagé une bataille contre les émissions polluantes. Dès la fin des années 80, les véhicules à moteur essence sont équipés d’un pot catalytique de série qui permet une diminution importante des émissions nocives.

La sonde lambda joue un rôle décisif. Elle permet au pot catalytique de remplir sa fonction en opérant dans les conditions optimales.

Composition des gaz

La majorité des gaz rejetés par un moteur contient de l'azote, de l'eau et du dioxyde de carbone qui sont inoffensifs. Les émissions nocives ne représentent qu’une petite partie de toutes les émissions d’un moteur.

En effet, elles ne représentent que 1,1% de la composition des gaz d’échappement d’un moteur essence et 0,2% d’un moteur diesel.

Cependant, même si ces quantités sont relativement faibles, elles sont nocives pour la santé et l’environnement, même en quantité réduite. Il est donc nécessaire de les réduire au maximum et de les rendre inoffensives.

Les normes “EURO”

La norme Euro est une loi qui impose aux constructeurs des niveaux d’émissions polluantes réduits à ne pas dépasser pour les véhicules neufs.

La première norme Euro, l’Euro I, a été mise en place dans le secteur automobile en 1992. Les normes ont ensuite évolué pour devenir de plus en plus restrictives.

La norme Euro V actuellement en vigueur est en place depuis septembre 2009. La norme suivante, Euro VI, sera effective en 2014.

Pour respecter ces normes, les véhicules sont équipés d’un pot catalytique (ou catalyseur) et de sondes à oxygène.

Plus de 135 millions de véhicules sur les 162 millions que compte le parc européen à ce jour, sont équipés de série d’un moteur essence avec un catalyseur et une ou deux sondes lambda.

Localisation des sondes

Le fonctionnement efficace du pot catalytique implique un contrôle précis du mélange air-carburant. C’est la fonction essentielle de la sonde à oxygène dite sonde « Lambda ».

Les véhicules récents sont équipés de deux sondes Lambda.

Une sonde de régulation positionnée en amont du catalyseur, et, depuis la norme Euro III et la mise en place du « diagnostique embarqué  » (OBD), une seconde sonde dite « de diagnostique » placée en aval du catalyseur.

Circuit de dépollution

La sonde de régulation mesure la teneur en oxygène restant dans les gaz d’échappement en amont du catalyseur. En fonction de la teneur en oxygène, elle génère un signal qui est envoyé au calculateur du moteur (ECU unité de contrôle moteur) qui utilise ces informations pour ajuster le dosage du mélange air-carburant.

La sonde de diagnostique mesure la teneur en oxygène résiduelle dans les gaz d’échappement

à la sortie du catalyseur. En se basant sur ces signaux, le calculateur peut identifier un dysfonctionnement de la ligne d’échappement et alerter le conducteur via un témoin lumineux situé sur le tableau de bord.

Animation

Mélange air-essence

Le rapport théorique optimum pour un moteur à essence est de 14,7:1, cela signifie qu’il faut 14,7 kg d’air combiné avec 1 kg d’essence pour obtenir un mélange idéal non polluant. Cela correspond à la quantité d’air nécessaire pour effectuer une combustion complète du carburant.

Ce rapport se nomme « dosage stœchiométrique ».

Dans l’industrie automobile, le mélange air-carburant idéal est représenté par la lettre grecque « Lambda ». Lorsque Lambda (λ)=1.0, le mélange est idéal et assure la combustion complète du carburant ainsi qu’un fonctionnement optimum du catalyseur qui convertit les gaz d’échappement en gaz inoffensifs pour l’environnement.

De nos jours, la plupart des moteurs à essence fonctionnent avec ce mélange.

Avec un autre type de carburant, le dosage air-carburant peut être différent.

Dosage d'air

En pratique, le coefficient Lambda n’est jamais égal à 1. Il peut être supérieur ou inférieur à 1. Cette variation de l’air dans le mélange transcrit précisément la fluctuation du rapport air-carburant.

S’il y a plus d’essence que prévu dans la quantité idéale (mélange dit « riche »), le moteur a besoin d’un apport en air.

Dosage d'air : la valeur lambda est alors inférieure à 1.0.

A contrario, s’il y a moins de carburant, la quantité d’air est trop importante (mélange dit « pauvre »). Dosage d'air : la valeur lambda est alors psupérieur à 1.0.

Efficacité du catalyseur

Lorsque le mélange injecté dans le moteur est maintenu dans la plage la plus proche du rapport stœchiométrique (λ=1) , les émissions nocives de monoxyde de carbone (CO) et d’oxyde d’azote (NOx) peuvent être réduites de 95%.

Les hydrocarbures imbrûlés sont alors oxydés pour produire du dioxyde de carbone et de l’eau.

Si la valeur Lambda mesurée est inférieure (λ inférieure à 1), le moteur fonctionne en mélange riche. Le taux de conversion est réduit , ce qui augmente significativement les émissions de monoxyde de carbone et d’hydrocarbures.

Si le moteur fonctionne en mélange pauvre (λ supérieur à 1) le taux de conversion de l’oxyde d’azote diminue fortement ce qui produit une augmentation considérable de la pollution dans l’air.

Types de sondes

Il existe 3 types de sondes Lambda.

Les sondes Lambda au dioxyde de zirconium et de titane sont aussi appelées sondes à oxygène ou « binaire ». Leur signal de sortie varie constamment entre deux valeurs fixes suivant le mélange, riche ou pauvre.

Le troisième type de sonde est appelé sonde Lambda à large bande, ou sonde linéaire. Son signal de sortie est proportionnel au mélange air/carburant. Elle mesure plus précisément la transition entre la richesse et pauvreté du mélange.

Sonde lambda zirconium (Sonde binaire)

La sonde Lambda au dioxyde de zirconium, il s’agit du type de sonde Lambda le plus répandu. Ce type de sonde est utilisé pour la régulation comme pour le diagnostique suivant le véhicule.

Fonctionnement de la sonde zirconium

Le corps céramique de la sonde lambda au zirconium est en forme de dé à coudre. L’intérieur de l’élément contient un air de référence provenant de l’air ambiant. A contrario, la surface extérieure de l’élément céramique est en contact avec les gaz d’échappement.

Les deux surfaces étant recouvertes d’une fine couche de Platine poreuse, elles agissent comme des électrodes. La concentration d’oxygène contenue dans les gaz d’échappement et celle contenue dans l’air ambiant ; il existe toujours une différence de concentration d'oxygène entre ces deux environements.

Lorsque la sonde lambda atteint sa température de fonctionnement, les ions d'oxygène migrent dans l'électrolyte en céramique du côté qui présente la plus importante concentration en oxygène vers la zone qui a la plus faible concentration en oxygène afin d'atteindre un certain équilibre.

Lorsque les ions traversent l’élément Zirconium, cela génère une tension électrique (U). Si le mélange est pauvre, la tension sera relativement faible (environ 0,1 V). Si le mélange est riche, la tension sera forte (environ 0,9 V). La transition entre les 2 tensions est brutale.

Sonde Lambda zirconium : Câblage

En fonction de leur conception, les sondes Lambda au dioxyde de zirconium disposent de 1 à 4 fils électriques.

Les sondes à un fil n’ont pas d’élément chauffant. La masse se fait par le filetage du capteur. Le câble noir transmet le signal au calculateur moteur.

Les sondes à 2 fils sans élément chauffant possèdent un fil de masse gris supplémentaire en contact avec le faisceau du véhicule.

Les sondes chauffées possèdent 3 ou 4 fils. Dans les deux cas, le câble noir transmet le signal de la sonde. Les 2 câbles blancs assurent l’alimentation et la masse du chauffage.

Sur les sondes 3 fils, la masse est assurée via le filetage de la sonde alors que les sondes 4 fils disposent d’un câble de masse gris relié aux faisceaux électriques du véhicule.

Sonde titane : résistance variable

Cette sonde communément appelée sonde titane est en réalité une sonde au dioxide de titane. Contrairement à la sonde lambda au dioxyde de zirconium, la sonde titane ne génère pas de tension électrique. L’élément en céramique est un semi-conducteur, sa résistance électrique varie par rapport à la teneur en oxygène des gaz d’échappement.

Toutes les sondes « Titane » possèdent un élément chauffant. Leur conception ne nécessite pas d’avoir un air de référence ce qui leur permet d’être plus compactes que les sondes « Zirconium ».

Le système de contrôle de ce type de sonde est très différent de celui des sondes au dioxyde de zirconium.

Fonctionnement de la sonde titane

La résistance électrique de l’élément au dioxyde de titane évolue en fonction de la teneur en oxygène contenue dans les gaz d’échappement.

S’il y a trop d’oxygène (λ supérieur à 1.0), l’élément en titane réagit et devient moins conducteur; Si la proportion d’oxygène baisse (λ inférieure à 1), l’élément en titane devient plus conducteur.

La température idéale de fonctionnement de la sonde lambda est de 700°C. Une température supérieure à 850°C peut endommager le capteur.

L’absence d’air de référence est un avantage qui permet au capteur d’être plus compact.

Sonde titane : câblage

Les sondes lambda au dioxyde de titane produites par NTK peuvent avoir trois ou quatre fils.

Sur les sondes 4 fils, le fil de signal (+) est jaune alors que le signal (-) est noir.

Le fil de l’élément chauffant (+) peut être de deux couleurs selon la sonde : s’il s’agit d’une sonde de type 1 le fil est rouge. En revanche, pour une sonde de type 2, le fil est gris.

Le fil de la masse du chauffage (-) est toujours blanc.

Sur les sondes 3 fils, le fil du signal (+) jaune n’existe pas.

Sonde lambda proportionnelle

La demande croissante de réduction de consommation de carburant et des émissions de gaz d'échappement ont imposés de maîtriser au mieux le dosage stœchiométrique.

Un mélange air/carburant (λ inférieure à 1.0) peut être exigé lors d’un démarrage à froid et dans des conditions de pleine charge. Dans ces conditions, les équipementiers s’emploient à trouver des solutions pour réduire la consommation en carburant.

Les moteurs les plus récents ont été conçus pour moins consommer. Cette nouvelle génération de moteurs dite « à mélange pauvre » doit respecter les proportions optimales de mélange avec une précision accrue.

Les sondes à large bande ou sondes proportionnelles ou sondes linéaires ont été développées dans cet objectif. Ces sondes peuvent mesurer avec précision la qualité du mélange air-essence et produire un signal proportionnel au ratio air/carburant. Leur fonctionnement est plus rapide et plus précis que les autres générations de sondes.

Les sondes proportionnelles sont également utilisées dans les moteurs diesel récents, qui fonctionnent en mélange « pauvre ».

Fonctionnement de la sonde proportionnelle

La sonde proportionnelle se compose de 2 cellules :

- une cellule de mesure

- une cellule de pompage

La cellule de mesure évalue la concentration en oxygène des gaz d’échappement concentrés dans la chambre de détection. Cette mesure génère un courant qui est comparé à la valeur de référence de 450mV (courant généré par un dosage stœchiométrique « idéal »).

Si cette valeur dérive, en basculant le flux électrique vers la cellule de pompage, les ions oxygène sont extraits de la chambre de détection afin que le courant atteigne la valeur de référence de 450mV.

La mesure de ce courant électrique de pompage permet d’identifier précisément la valeur lambda du mélange en présence.

Lorsqu’il s’agit d’un mélange stœchiométrique , il n’y a pas de de flux électrique car la pression partielle des ions oxygène dans la chambre de détection génère une valeur égale 450 mV qui sert de référence.

Signal de sortie de la sonde proportionnelle

Si un mélange stœchiométrique est présent (lambda =1.0), il n’y a pas de courant traversant la cellule de mesure

Si le mélange est riche, le faible taux d’oxygène génère un courant négatif via la cellule de pompage, de l’oxygène est introduit dans la chambre de détection.

Si le mélange est pauvre, le fort taux d’oxygène génère un courant positif dans la cellule de pompage et l’oxygène est extrait de la chambre de détection.

Sonde lambda proportionnelle : Câblage

La sonde lambda proportionnelle possède un faisceau électrique de 5 fils.

-Les câbles jaunes et bleus contrôlent le chauffage.

-Le courant de pompage (Ip+) circule à travers le câble blanc

-La tension de sortie de la cellule de mesure (Vs+) circule à travers le câble gris.

-Le câble noir permet la mise à la masse pour la cellule de mesure (Vs-) et de pompage (Ip-).

Autres sondes

Les moteurs à injection directe, les voitures de course ou les deux roues utilisent les sondes dans des conditions particulières répondant à des exigences techniques spécifiques. Dans ces cas particuliers, il existe des sondes spécifiques des applications ultra-modernes.

Sonde NOx

Afin de réduire la consommation en carburant des moteurs essence et pour protéger davantage l’environnement, les constructeurs automobile mettent en avant les moteurs à injection directe fonctionnant en mélange pauvre lorsqu’ils sont en charge partielle.

Cette technique permet de réduire de 12 à 20% la consommation de carburant. Cependant, ce mode de fonctionnement nécessite l’utilisation d’une sonde additionnelle la sonde NOx (Oxyde d’azote).

Un calculateur dédié est nécessaire pour faire fonctionner la sonde NOx. L’ensemble du système (sonde + calculateur) est intégré dans un même module.

Fonctionnement de la sonde NOx

En mélange pauvre, le fonctionnement d’un moteur à charge stratifiée ne correspond plus à lambda =1. De ce fait, le catalyseur fonctionne en dehors de sa plage habituelle. Il ne convertit pas les émissions d’oxyde d’azote qui augmentent considérablement, c’est pourquoi on utilise un catalyseur supplémentaire appelé piège à NOx.

Quand le piège à Nox est saturé, la sonde NOx avertit le calculateur qui enrichit le mélange pendant 2 secondes. Cette stratégie permet de réduire les oxydes d’azote et de les convertir efficacement en azote, dioxyde de carbone et vapeur d’eau.

Cette phase de régénération est répétée toutes les 60 secondes lors du fonctionnement en mélange pauvre.

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Sonde NOx : Câblage

Affectation des câbles décrite dans le tableau ci-contre :

Sondes lambda pour deux roues

Depuis 1999, les deux roues sont soumis à la règlementation européenne sur la limitation des émissions polluantes. La plupart des constructeurs motocycles et cyclos équipent donc d’origine tous leurs véhicules y compris les petites cylindrées.

Afin de répondre à la demande spécifique de ce segment de marché, NGK SPARK PLUG a développé un produit adapté, la sonde lambda OZAS-S3. Cette sonde au dioxyde de zirconium résiste mieux aux températures élevées, ce qui lui permet d’être installée à proximité , voir sur la culasse elle même. Cet emplacement permet à la sonde d’atteindre rapidement sa température de fonctionnement sans qu’elle dispose d’un élément chauffant intégré.

Avantages : la sonde est particulièrement compacte et légère. Elle peut être contrôlée facilement, de plus, elle dispose d’une connexion à borne simple comme celle d’une bougie.

Sondes lambda de compétition

Les sondes lambda proportionnelles sont utilisées en compétition pour optimiser le contrôle du mélange air/carburant afin de maximiser le rendement et la puissance des moteurs.

Les sondes utilisées dans ce type de compétition sportive doivent être particulièrement robustes car elles fonctionnent dans des conditions extrêmes liées à la course.

La sonde doit résister aux fortes vibrations et aux hautes températures auxquelles elle est soumise sans que son fonctionnement ne soit altéré.

Montage de la sonde lambda

La sonde lambda doit être installée sur la tubulure d’échappement à l’aide d’une clef à sonde spécifique. Il ne faut jamais utiliser de clef à chocs sous peine d’endommager l’élément céramique.

La sonde doit être installée avec précaution pour éviter d’arracher, d’emmêler ou de dégrader les fils.

Les sondes lambda d’origine sont prêtes à l’emploi et simples à installer.

Elles présentent des avantages considérables: Caractéristiques techniques identiques à l’origine.

• Sécurité d’utilisation
• Simplicité d’installation
• Rapidité de mise en œuvre

Pour faciliter leur installation, les sondes NTK disposent d’un filetage graissé en usine.

Usure et Remplacement

Avec le temps, la sonde s’use, la fréquence du signal s’allonge et l’amplitude des tensions hautes et basses diminue.

Conséquences : le gestion moteur devient chaotique et le signal inutilisable par le calculateur.

Le calculateur bascule alors en mode « dégradé », par précaution, le moteur fonctionne alors avec un mélange riche en carburant. Cette stratégie permet un niveau acceptable de performances tout en protégeant les composants de la surchauffe.

Inconvénient : la consommation en carburant augmente considérablement ainsi que les émissions polluantes liées aux gaz d’échappement.

Ces défauts passent souvent inaperçus jusqu’au passage du contrôle technique. De fait, le moteur consomme plus de carburant, et donc une dépense supplémentaire et une pollution accrue à chaque kilomètre parcouru.

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Test de la sonde lambda zirconium

Utiliser un oscilloscope pour tester sa sonde reste la méthode la plus efficace. Il indique les tensions électriques maximales et minimales, le temps de réponse et la fréquence. Lorsque ce test est effectué, les préconisations du fabricant doivent être respectées.

Mode opératoire:

• Faire fonctionner le moteur à 2 000 tours/min.
• Connecter l’entrée du capteur à l’oscilloscope à l’aide du connecteur approprié.
• Définir la plage de mesure sur 1-5 volts, temps 5 à 10 secondes Si la sonde fonctionne correctement, la tension passera de 0,2 Volt à 0,8 Volt en l’espace de 300 millisecondes (temps de passage d’un mélange pauvre à riche en carburant). Le temps de réaction qui fait passer le mélange de riche à pauvre en carburant est identique.
• Si le signal sonde est constant ou si le temps de réaction est trop lent, la sonde doit être changée.

La sonde fonctionne correctement lorsque le voltage est de 0,1v à 0,9v avec une fréquence de 0,5 à 4 Hz

Conseils pratiques

Bien qu’un contrôle visuel seul ne soit pas suffisant pour tester le fonctionnement d’une sonde lambda, il peut être révélateur d’un dysfonctionnement. Les points à contrôler sont les suivants :

Si elle est supérieure à 30 Ω, la sonde est défectueuse.

Câbles:

Sont-ils sectionnés ou cassés ?

Le joint est-il intact ?

Y a-t-il de l’humidité à proximité du joint ?

Les contacts du connecteur sont-ils en bon état ?

Le câble est-il trop tendu ?

Corps de la sonde :

La sonde montre-t-elle des dommages visibles ?

Chaque véhicule possède une sonde adaptée à son moteur et à sa fonction. Les sondes ne sont pas interchangeables d’un véhicule à l’autre et pas toujours de la position amont à la position aval. Il faut identifier la référence de la sonde lambda et la remplacer à l’identique.

Toutes les références de sondes disponibles sont dans le catalogue NTK, elles sont identifiées en fonction de leurs affectations et de leurs caractéristiques techniques.