Dans ce rapport, nous parlerons des trois types de sondes que nous fabriquons dans FAE et de l’évolution que ce produit a suivie au fil des ans.
1. INTRODUCTION À LA SONDE LAMBDA
Les réserves de pétrole s’épuisent et nous avançons à grands pas vers le véhicule électrique. Mais cette transition vers le véhicule 100 % propre doit se faire en améliorant l’efficacité et l’écologie des véhicules à combustion actuels, qui ont encore de nombreuses années de vie sur le marché.
Bien qu’il puisse sembler paradoxal de parler d’écologie en évoquant des véhicules polluants, on peut affirmer que les avancées technologiques de ces dernières années contribuent à une réduction drastique des émissions de gaz nocifs dans l’atmosphère, responsables de l’effet de serre.
Selon une étude récente de l’AMB (Aire Métropolitaine de Barcelone), une voiture d’il y a 20 ans pollue autant que 36 voitures modernes en ce qui concerne les PM (Particulate Matter) et 5 voitures modernes en ce qui concerne les NOx (oxydes d’azote). Si l’on examine les statistiques relatives aux motos, le rapport est de 1:17.
C’est pourquoi les autorités européennes qui réglementent les émissions de polluants ont mis en place des politiques de plus en plus restrictives. Des années 1990 à aujourd’hui, les normes de l’UE sont devenues de plus en plus strictes et, avec l’entrée en vigueur des normes successives Euro 2, Euro 3 et maintenant Euro 6c, certains constructeurs ont rencontré des problèmes et échoué aux tests. Certains fabricants ont rencontré des problèmes et ont échoué aux tests, ce qui a posé un grand défi aux ingénieurs chargés de la conception des moteurs, des dispositifs de postcombustion et des sondes lambda.
Le contrôle des émissions est assuré par un logiciel qui gère l’ECU (Engine Control Unit), le cerveau du véhicule. De la même manière que notre cerveau prend la décision de déplacer notre main si nous remarquons qu’elle brûle, toute décision prise par l’ECU dépend directement de ce que les capteurs répartis dans le véhicule lui disent de faire. L’un de ces capteurs, situé dans le pot d’échappement, est chargé de réduire les émissions de gaz nocifs dans l’atmosphère. Sondes Lambda), détecte en permanence la valeur de l’oxygène résiduel de la combustion dans les gaz d’échappement, de sorte que le calculateur ajuste le mélange d’injection à la valeur optimale.
Tous les véhicules équipés d’un convertisseur catalytique sont dotés d’au moins une sonde lambda (de régulation), située en amont du convertisseur catalytique. Toutefois, les véhicules OBD (On-Board Diagnostic) sont équipés d’une seconde sonde lambda (de diagnostic) située à l’arrière du catalyseur, qui signale le bon fonctionnement de la sonde lambda de régulation et corrige tout écart. Elles surveillent également le cycle de vie du convertisseur catalytique et signalent lorsque celui-ci est épuisé et doit être remplacé.
Pourquoi l’appelle-t-on sonde lambda ? Le facteur lambda (ƛ) est le rapport air-carburant comparé au rapport stœchiométrique idéal, qui est de 14,7 parties d’air pour 1 partie de carburant (en poids). Si cette comparaison donne un facteur lambda supérieur à 1, le mélange de carburant est pauvre. Si le résultat du facteur lambda est inférieur à 1, le mélange est riche en carburant.
2. COMPOSANTS DE LA SONDE LAMBDA
CÂBLE
Gaine de câble en fluoropolymère à haute performance aux températures extrêmes.
CLAMP CÉRAMIQUE
Entièrement assemblé dans nos locaux.
ISOLATEURS EN CÉRAMIQUE
Céramique technique conçue pour assurer l’étanchéité et prévenir la contamination. Indice de protection contre l’eau IP68, capable de fonctionner en immersion continue dans l’eau.
CAPTEUR
Technologie de capteur planaire en céramique multicouche. Fabriqué dans une salle blanche contrôlée.
3. ÉVOLUTION TECHNOLOGIQUE DES SONDES LAMBDA
Il est important de savoir que les premières sondes lambda datent des années 1970, où les sondes de type EGO (Exhaust Gas Oxygen Sensor) de l’époque n’étaient pas chauffables et avaient un temps de réponse utile de plus de 120 secondes. Cela signifie qu’à partir du moment où le véhicule était démarré, l’ECU ne recevait une lecture claire qu’après 2 minutes, alors que le moteur froid était plus polluant.
D’une manière générale, on peut dire qu’au fil des années, l’objectif a été d’améliorer la rapidité, la stabilité et la précision de la réponse de la sonde lambda, quel que soit le régime du moteur, et de réduire le temps de mise en service, c’est-à-dire le temps nécessaire pour que la sonde atteigne sa température de fonctionnement, ainsi que sa résistance et sa durabilité.
L’évolution a été considérable, avec l’introduction de sondes lambda chauffées, l’apparition de sondes à réponse proportionnelle au paramètre lambda, également appelées sondes lambda à large bande ou AFR, et l’introduction d’un nouveau type de sonde lambda. (Air Fuel Ratio)et le développement de la technologie planaire, dans laquelle l’entreprise espagnole FAE – Francisco Albero, S.A.U., a pris un engagement très fort, puisqu’elle développe sa propre technologie planaire depuis des années, en mettant en service une salle blanche de plus de 700 mètres carrés.2 pour le développement et la fabrication de milliers de sondes lambda de haute technologie et de haute qualité pour des clients du monde entier.
4. TYPES DE SONDES LAMBDA
4.1 Sondes lambda au Zirconium
Les sondes lambda binaires, fabriquées en dioxyde de zirconium ou en céramique de zirconium, contiennent un électrolyte solide qui fournit une tension électrique obtenue par comparaison de deux atmosphères (gaz d’échappement d’un côté et air extérieur de l’autre) et est sensible à la concentration d’oxygène dans les gaz d’échappement. Les mélanges riches en carburant produisent une tension élevée et les mélanges pauvres en carburant produisent une tension faible, ce qui donne une réponse binaire on-off avec seulement deux valeurs : 0 ou 1, facilement interprétable par l’électronique.
4.2 Sondes lambda en Titane
Dans les sondes au titane, le capteur de cette sonde lambda est composé d’un élément céramique en dioxyde de titane. Contrairement aux sondes lambda basées sur le dioxyde de zirconium, celles-ci ne génèrent aucune tension et le matériau de la sonde est immergé dans les gaz d’échappement, sans nécessiter d’air extérieur.
Ces capteurs comportent toujours un élément chauffant et, à haute température, la résistance de ce matériau est sensible à la variation de la concentration d’oxygène dans les gaz d’échappement. Pour un mélange riche, la résistance chute à des valeurs minimales et pour un mélange pauvre, elle augmente jusqu’à des valeurs maximales. Le calculateur alimente la sonde lambda avec une tension fixe et lit la réponse de la sonde lambda via un circuit diviseur de tension.
4.3 Sondes lambda à large bande
Contrairement aux sondes lambda binaires en Zircone, les sondes lambda à large bande fournissent une réponse continue et non binaire à la valeur lambda détectée. C’est pourquoi elles mesurent la composition des gaz d’échappement avec une grande précision, ce qui les rend adaptées aussi bien aux moteurs diesel qu’aux moteurs à essence.
Elles contiennent deux cellules électrochimiques fonctionnant simultanément. L’une d’entre elles mesure le caractère riche ou pauvre du mélange gazeux, à l’instar des sondes lambda binaires. L’autre cellule électrochimique réagit en fonction du signal émis par la première cellule et de la quantité d’oxygène dans les gaz de combustion. Le fonctionnement conjoint des deux cellules fournit un courant électrique positif pour les mélanges pauvres, négatif pour les mélanges riches et nul dans le cas d’un mélange parfait ou stœchiométrique.
Le courant généré par la sonde lambda à large bande est calibré et doit également être converti en tension pour pouvoir être lu par l’ECU du véhicule. Pour ces raisons, la sonde incorpore une résistance d’étalonnage dans le connecteur. Cette résistance est différente pour chaque sonde lambda. Il ne faut donc en aucun cas remplacer une sonde lambda par une autre en coupant les fils.
Sonde lambda à large bande de première génération :
Elles contiennent un canal de référence d’air externe similaire à celui des sondes lambda binaires de Zirconia.
Sonde lambda à large bande de deuxième génération :
Elles ne nécessitent pas de canal de référence pour fonctionner. Par rapport aux sondes de première génération, l’absence de canal permet d’économiser l’énergie consommée par ces sondes, le temps de préchauffage initial est plus court et la stabilité du signal pendant leur durée de vie est plus grande.
Selon l’application du véhicule, une sonde à large bande de première ou de deuxième génération est nécessaire, mais elles ne sont pas interchangeables.
Différence dans la réponse entre une sonde lambda binaire au zirconium (à gauche) et une sonde lambda Air Fuel Ratio (à droite). La première a une réponse binaire (1 ou 0), tandis que la sonde Air Fuel Ratio a une réponse progressive, ce qui permet à l’ECU de mesurer précisément la composition des gaz d’échappement à tout moment et d’agir avec plus de précision, car la sonde Zircone binaire indique seulement si le mélange est riche ou pauvre, mais pas le niveau exact de mélange des gaz.
4.4 Sondes lambda de Air Fuel Ratio A/F
Il s’agit de sondes à large bande à 4 fils, qui génèrent un signal proportionnel à la valeur lambda détectée, mais avec une seule cellule électrochimique. Cette cellule est régulée par l’électronique du véhicule et réagit simultanément en fonction de la quantité d’oxygène présente dans les gaz d’échappement. Le fonctionnement global fournit un courant caractéristique correspondant aux différentes compositions de gaz dans le tuyau d’échappement. Le courant qu’elle génère est positif pour les mélanges pauvres, ce courant est capable de mesurer la composition des gaz avec une grande précision et, à son tour, est sensible aux mélanges riches et sans oxygène. Pouvant générer un courant en sens inverse, ils conviennent aussi bien aux moteurs diesel qu’aux moteurs à essence.
Cette sonde est équivalente à une sonde Broadband à 5 fils en termes de réponse, car le signal qu’elle délivre est proportionnel à la sonde lambda. Elle permet également un contrôle plus efficace des émissions, mais contrairement à la sonde à 5 fils, cette sonde ne nécessite qu’une seule cellule électronique, ce qui permet de réduire l’utilisation de platine.
