Tout ce qu il faut savoir sur les sondes lambda

www.beru.com Tout ce qu il faut savoir sur les sondes lambda Information technique n 03 Perfection Intégrée

Table des matières Introduction Principe de la mesure comparative de l oxygène Structure et fonctionnement d une sonde lambda Chauffage et câblage de la sonde Principe général de la régulation par sonde lambda Vérification de la sonde lambda La boucle de régulation Contrôle de la sonde Lambda Détection des défaillances de la régulation par sonde lambda Vérification de la régulation par sonde lambda dans un circuit de régulation ouvert Comparaison d une sonde neuve avec une sonde usagée Conversion des substances nocives Surveillance et analyse de l état du pot catalytique Défauts typiques des sondes lambda Testez vos connaissances Réponses au test 3 4 4 5 5 6 8 6 7 7 8 9 10 10 11 12 13 14 15 2

www.beru.com Vue en coupe d une sonde lambda Résistance chauffante Contact pour la tension de la sonde Couche électroconductrice (-) Couche électroconductrice (+) Côté gaz d échappement Câble de branchement de la tension de la sonde et de la résistance chauffante Corps isolant Douille de protection Tube support en céramique Corps (-) Tuyau d échappement Corps en céramique Tube protecteur à fentes Gaz d échappement Côté air Introduction Pour brûler parfaitement 1 kg d essence dans un moteur thermique, il faut 14 kg d air, soit environ 11 mètres cubes. Le rapport entre la quantité d air réellement requise et les besoins théoriques en air s appelle l indice lambda (symbole de la formule: λ). Un indice λ=1 signifie l arrivée au moteur d une quantité d air, la plus adaptée à la combustion. Il faut toutefois se rappeler que le moteur thermique atteint sa puissance maximale avec une carence de 0 à 10 % en air (donc entre λ= et λ=1,0), et que la moindre consommation d essence s obtient avec un excédent d air d environ 10 % (soit λ 1,1). En matière de mélange air/carburant, il faut faire la différence entre un mélange riche (part de carburant relativement élevée) et un mélange pauvre (part d air relativement élevée). Dans les gaz d échappement d un mélange très riche, la part de monoxyde de carbone et d hydrocarbures est très élevée et baisse au fur et à mesure que l indice lambda augmente. Dans un mélange riche, la part d azote est relativement faible et atteint son maximum à λ=1. Dans un mélange pauvre par contre, la part d air dans les gaz d échappement, donc la part d oxygène, est relativement élevée. Avec un pot catalytique fonctionnant optimalement, la part de monoxyde de carbone se transforme en gaz carbonique par oxydation avec l oxygène. De la sorte, il resterait cependant trop peu de CO pour convertir le monoxyde d azote en azote élémentaire. L épuration catalytique des gaz d échappement ne dépend donc pas que de l adéquation du pot catalytique, il faut aussi que la composition des gaz d échappement soit optimale dans chaque cas. C est dans ce but que le catalyseur à trois voies a été développé. Faisant office de réacteur, il transforme simultanément le monoxyde de carbone, les hydrocarbures et les oxydes d azote. La composition des gaz d échappement requise à cette fin lui est fournie par le traitement, à régulation électronique, du mélange air/carburant. Opération préalable: il faut mesurer en permanence la teneur des gaz d échappement en oxygène. Le capteur chargé de cette fonction est la sonde lambda. La valeur mesurée indique le rapport du mélange air/carburant. La sonde lambda détermine la concentration des gaz d échappement par une mesure comparative de l oxygène : elle compare la teneur en oxygène de l air atmosphérique avec l oxygène résiduel présent dans les gaz d échappement. Elle communique les différences à l appareil de commande sous la forme d un signal électrique. L appareil de commande corrige ensuite l allumage et l injection en conséquence. Vu les fortes contraintes auxquelles la sonde lambda est exposée dans le flux des gaz d échappement, elle est sujette à une usure naturelle. Lors des contrôles périodiques des gaz d échappement, le technicien vérifie le fonctionnement de la sonde lambda et détermine une usure éventuelle. Le remplacement d une sonde lambda doit s effectuer entre 60 000 et 80 000 km maximum. 3

Principe de la mesure comparative de l oxygène La teneur en oxygène de l air atmosphérique se situe normalement à 20,8 %. Le système compare ce taux de référence à la teneur résiduelle en oxygène du flux baignant la sonde lambda. Si dans le flux de gaz d échappement cette teneur s élève à 2 % ( mélange pauvre ), cette différence par rapport au taux de l air atmosphérique fait que la sonde génère une tension d env. volt. Gaz d échappement Si la teneur en oxygène s élève à moins de 2 % ( mélange riche ), cette différence accrue par rapport au taux d oxygène de référence se manifeste par une tension d env. volt à la sonde. Exemple : taux résiduel d O 2 = 2% Electrode externe de la sonde baignant dans le flux de gaz d échappement (teneur résiduelle d O 2 = 2 %) Electrode interne de la sonde baignant dans l air atmosphérique (O 2 = 20,8 %) Air atmosphérique 20,8 % Electrode interne V Electrode externe Teneur résiduelle en oxygène, 2 % env. L électrode externe de la sonde lambda pénètre dans le flux des gaz d échappement, l électrode interne est reliée à l air atmosphérique. Structure et fonctionnement d une sonde lambda La sonde lambda se compose essentiellement d un corps en céramique spéciale dont les surfaces présentent des électrodes en platine perméables aux gaz. L action de la sonde se fonde sur deux types de facteurs physiques : d une part cette céramique est poreuse et permet ainsi à l oxygène de l air de se diffuser, d autre part la céramique devient électroconductrice à partir de 300 C env. Les teneurs en oxygène de l air sont mesurées des deux côtés des électrodes. La différence variant entre les deux teneurs engendre une tension électrique, de l ordre de quelques milli-volts, au niveau Lambda < 1 = mélange riche Tension lambda : volt environ Lambda > 1 = mélange pauvre Tension lambda : env. volt mv 1.000 800 Mélange riche (manque d'air) Mélange pauvre (excédent d'air) des électrodes. Les sondes lambda présentent différents modes de fonctionnement : les sondes à l oxyde de titane présentent une résistance variable en fonction de la différence des taux, les sondes au zirconium font varier la tension en fonction de cette différence. Vu que les sondes au zirconium sont les plus employées, c est sur elles que porte la suite de ce descriptif. Dans un corps en acier est logé un élément en céramique (électrolyte solide). La partie extérieure du corps en céramique baigne dans les gaz d échappement, sa partie intérieure baigne dans l air atmosphérique. La différence de taux mesurée aux extrémités des électrodes provoque une hausse brutale de la tension émise par la sonde. Ce saut de tension sert à la régulation lambda. 600 475 200 4 0,01 0,80 0 1,00 1,10 1,20 Coefficient d'air λ

www.beru.com Chauffage et câblage de la sonde Pour amener rapidement la sonde à température après le démarrage du moteur, les constructeurs automobiles emploient des sondes chauffées. Ces sondes présentent non pas un, mais trois ou quatre fils électriques. Les sondes à trois fils électriques comportent un fil de raccordement à la masse de la résistance chauffante. Les sondes à quatre fils séparent celui de raccordement du signal voltmétrique à la masse et celui de raccordement du chauffage à la masse, dans le but de contourner les perturbations que peuvent provoquer la corrosion et les joints au niveau des jonctions à la masse. Sonde lambda à un fil Couleur du fil : noir = signal envoyé à l'appareil de commande Sonde lambda à 3 fils Couleurs des fils : noir = signal envoyé à l'appareil de commande 2 fils blancs = alimentation électrique de la résistance chauffante Sonde lambda à 4 fils Couleurs des fils noir = signal envoyé à l'appareil de commande 2 fils blancs = alimentation électrique de la résistance chauffante 1 fil gris = masse Principe général de la régulation par sonde lambda Afin que la composition du mélange se tienne dans le Lorsque la sonde lambda signale un "mélange pauvre" à l'appareil de commande, ce dernier ordonne d'enrichir le mélange. Lorsqu'elle signale un "mélange riche", l'appareil de commande ordonne d'appauvrir le mélange. "créneau lambda" (c.-à-d. dans la plage requise pour que le pot catalytique fonctionne de façon optimale), la sonde lambda se monte dans le conduit d'échappement en amont du pot catalytique. La sonde indique à l'appareil de commande si l'indice lambda, l'indice d'air, est supérieur ou inférieur à 1. Par le biais du système d injection, elle influe sur la composition du mélange, donc sur l'indice lambda. Appareil de commande K Carburateur Sonde lambda Air Flux des gaz d'échappement Pot catalytique 5

Contrôle de la sonde lambda La boucle de régulation Afin que la sonde lambda atteigne sa température de fonctionnement comprise entre 250 et 300 C environ, il faut que le moteur et la sonde aient atteint la bonne température. Ensuite, il faut débrancher le connecteur reliant la sonde et l'appareil de commande, intercaler l'adaptateur approprié puis rebrancher la sonde à l'appareil de commande. Le fonctionnement de la sonde lambda se mesure à l'aide d'un voltmètre. Nous recommandons d'employer un voltmètre à affichage analogique qui facilite la lecture des sauts de tension. Une fois le moteur et la sonde parvenus à leur température de fonctionnement, l'aiguille du voltmètre doit faire la navette entre et volt. Ce va-et-vient rend visible la boucle de régulation : si la tension indiquée par le voltmètre est de volt, c'est le signe qu'un mélange pauvre traverse le conduit d'échappement, la sonde demande alors à l'appareil de commande de l'enrichir. Si le voltmètre indique volt, le mélange qui traverse le conduit est riche et la sonde demande à l'appareil de commande de l'appauvrir. Le débit d'injection augmente Mélange riche L'appareil enrichit le mélange peu de O 2 dans les gaz d'échappement Sonde l V Boucle de régulation Sonde l V beaucoup de O 2 dans les gaz d'échappement L'appareil de commande appauvrit le mélange Mélange pauvre Le débit d'injection diminue 6

www.beru.com La tension émise par la sonde oscille entre et volt? C'est le signe qu'elle fonctionne normalement. Contrôle de la sonde lambda Le kilométrage du véhicule augmentant, la couche de platine sur la sonde se désactive progressivement par usure chimique et thermique. La tension débitée tend alors à diminuer. Une fois que la tension émise par la sonde ne dépasse plus volt, elle n'envoie plus l'information "mélange riche" à l'appareil de commande, et ce dernier enrichit constamment le mélange. De même, le chauffage de la sonde peut défaillir. Conséquence : la sonde atteint sa température de fonctionnement avec beaucoup de retard. Il n'y a donc plus de régulation sur de vaste pans du domaine d'utilisation du véhicule, à savoir lorsque le moteur tourne au ralenti et sur les trajets courts. Appareil de commande V V 1 2 3 4 sec Détection des défaillances de la régulation par sonde lambda La vérification électrique de la régulation lambda s'effectue à l'aide de la boucle de régulation. Préalables à cette vérification : Le moteur doit avoir atteint sa température de fonctionnement La sonde lambda doit elle aussi avoir atteint la bonne température (environ 250 C) et l'appareil de commande doit avoir reçu l'information correspondante. (Attention : un défaut du capteur thermométrique du liquide de refroidissement peut, en cas d'interruption du circuit, faire que l'appareil de commande reçoive des informations erronées, comme par ex. "Température moteur inférieure à 70 C".) Si la sonde comporte un chauffage, il faut que ce dernier soit branché et opérationnel. Vous aurez besoin d'un voltmètre analogique. Procédure : Faites tourner le moteur jusqu'à la température de fonctionnement, débranchez le connecteur entre la sonde lambda et l'appareil de commande, intercalez l'adaptateur. (Un conseil : si vous ne disposez pas d'adaptateur, vous pouvez en confectionner un à l'aide de connecteurs en vente habituelle dans le commerce.) 7

Vérification de la régulation par sonde lambda dans un circuit de régulation ouvert Si vous avez constaté un défaut lors de la vérification de la boucle de régulation lambda, vous devrez d'abord vérifier que tous les paramètres (telles que la température du moteur, celle de la sonde, du capteur thermométrique, etc.) se tiennent dans les plages requises. Si c'est le cas, vous pouvez utiliser la méthode d'ajout d'un paramètre perturbateur. Cette méthode consiste à envoyer une tension d'origine extérieure à l'appareil de commande, pour lui faire croire qu'il y a présence d'un mélange pauvre ou riche. Si l'appareil de commande et son câblage fonctionnent normalement, il tentera de corriger le mélange conformément au signal reçu. Simulation d'un mélange riche : L'appareil de commande tente de l'appauvrir. Le moteur tourne "moins rond". La tension de la sonde doit venir se stabiliser autour de volt. Le régime du moteur ne change pas? Vérifiez le capteur thermométrique, le faisceau de câbles et l'appareil de commande. Changez les pièces défectueuses. La tension émise par la sonde ne change pas? Peut-être est-elle trop froide. Faites-lui atteindre la bonne température de fonctionnement. Le défaut persiste-t-il une fois la sonde à température? Si oui, cela signifie que la sonde est défectueuse, soit son chauffage ne marche plus, soit il y a un défaut à la masse. Dans les deux cas, changez impérativement la sonde! Il est facile de suivre ce processus à l'aide d'un appareil de mesure des gaz d'échappement ou par "couplage" acoustique : lors de l'enrichissement du mélange, le moteur tourne "plus rond", et lors d'un appauvrissement, il tend à tourner "carré". Une sonde lambda en bon état modifiera en conséquence la tension de son signal. V Appareil de commande V Débranchez le connecteur entre la sonde et l'appareil de commande. Envoyez du volt à l'appareil de commande (pour simuler un mélange riche). Simulation d'un mélange pauvre : L'appareil de commande tente de l'appauvrir. Le moteur tourne "plus rond". La tension de la sonde doit venir se stabiliser autour de volt. Le régime du moteur ne change pas? Vérifiez le capteur thermométrique, le faisceau de câbles et l'appareil de commande. Changez les pièces défectueuses. La tension émise par la sonde ne change pas? Peut-être est-elle trop froide. Faites-lui atteindre la bonne température de fonctionnement. Le défaut persiste-t-il une fois la sonde à température? Cela signifie que la sonde est défectueuse, soit son chauffage ne marche plus, soit il y a un défaut à la masse. Dans les deux cas, changez impérativement la sonde! V Appareil de commande V Envoyez du volt à l'appareil de commande (pour simuler un mélange pauvre.) 8 La sonde n'atteint-elle plus que 0,7 volt? Si c'est le cas, elle présente des signes de vieillissement et devra être remplacée. Présence d'air perturbateur? Cela signifie que le circuit d'échappement n'est pas hermétique. Localisez le point de pénétration de cet air.

www.beru.com Comparaison d'une sonde lambda neuve avec une sonde usagée : détection du mélange, délai de réaction et fréquence de régulation Amplitude: V Sonde usagée Sonde neuve Le signal n'atteint plus le maximum V et minimum V, la détection d'un mélange riche / pauvre n'est plus possible. t Délai de réaction: V Sonde usagée Sonde neuve La sonde réagit avec trop de retard aux variations de richesse ou pauvreté du mélange, et n'indique plus l'état du mélange en temps réel. t Durée des périodes: V Sonde neuve Sonde usagée La fréquence de la sonde est trop lente, une régulation optimale n'est plus possible. t 9

Conversion des substances nocives La conversion des substances nocives a lieu dans le pot catalytique. Un catalyseur est un réacteur qui provoque une réaction chimique et/ou l'accélère sans participer lui-même à cette réaction. Oxydation = liaison avec l'oxygène Réduction = retrait d'oxygène CO (monoxyde de carbone) s'oxyde pour donner du CO 2 (gazcarbonique) HC (hydrocarbure) s'oxyde pour donner du H2O et du CO 2 (eau et gaz carbonique) NOx (oxydes d'azote) ces oxydes se réduisent en N2 et O 2 (azote et oxygène) Afin que les "bouffées" d'oxygène aient lieu, la sonde lambda doit appauvrir enrichir le mélange Sur les pots catalytiques modernes, le taux de conversion, c.-à-d. le taux de substances nocives converties atteint 90 à 95 %. Sonde lambda CO HC NO x Catalyseur en céramique H 2 O N 2 CO 2 Surveillance et analyse de l'état du pot catalytique En aval du pot catalytique se trouve une seconde sonde lambda (ou sonde de surveillance). De par sa composition et son fonctionnement, cette sonde de surveillance ne se distingue pas de la sonde lambda régulatrice montée en amont du pot. Cela signifie que les deux sondes émettent une tension fonction de la teneur résiduelle du flux en oxygène. Vu que pendant le fonctionnement d'un moteur régulé par sonde lambda l'appareil de commande corrige en permanence le mélange en direction de l'enrichissement et de l'appauvrissement, la teneur résiduelle des gaz en oxygène change en conséquence ("bouffées" d'oxygène), ce qui génère continuellement des "rafales" de tension dans la sonde. Un pot catalytique neuf, ayant un pouvoir élevé d'accumulation de l'oxygène, il amortit presque entièrement les variations de teneur en oxygène en aval de lui-même. Conséquence : la sonde régulatrice signale les variations d'oxygène par des sauts de tension correspondants, tandis que la tension de la sonde de surveillance reste pratiquement constante. Le pot catalytique vieillissant, son pouvoir d'accumulation de l'oxygène diminue et avec lui son pouvoir d'atténuer les "bouffées" d'oxygène. Cette situation devient visible grâce à la sonde de surveillance située en aval du pot. En présence d'un pot catalytique usagé, la courbe du signal émis par la sonde de surveillance devient pratiquement identique à celle du signal émis par la sonde régulatrice. Catalyseur en bon état Pot catalytique défectueux U/V U/V U/V U/V Sonde lambda 1 3 5 sec 1 3 5 sec Sonde lambda 1 3 5 sec 1 3 5 sec 10 Flux de gaz d'échappement Flux de gaz d'échappement "Bouffées" d'oxygène Sonde de surveillance "Bouffées" d'oxygène Sonde de surveillance

www.beru.com Défauts typiques des sondes Lambda Causes les plus fréquentes des défaillances des sondes lambda Diagnostic Surchauffe Vieillissement chimique Aspiration d'air perturbateur Mauvaises jonctions à la masse Mauvais contacts de jonction Céramique et métal vaporisé détruits Dépôts de plomb Jonction par câble de la sonde lambda interrompue Colmatage du corps de la sonde par des résidus d'huile Cause Températures supérieures à 950 C dues à une perturbation de la combustion, à un instant d'allumage incorrect ou à des temps incorrects de réaction des soupapes Le véhicule accomplit trop de trajets courts Sonde incorporée avec insuffisamment de précision Oxydation dans le tuyau d'échappement Oxydation des jonctions enfichées Couple de vissage de la sonde excessif Utilisation, par inadvertance, d'un carburant au plomb Morsures de rongeurs Huile imbrûlée dans le moteur, en raison par ex. d'une usure des segments ou des joints étanchant les queues de soupape Comment interpréter l'état du tube de protection Outre les fils de branchement, les connecteurs et le corps de la sonde, il faut aussi vérifier le tube protégeant l'élément de la sonde pour voir si des dépôts s'y sont formés. Principaux symptômes: Symptôme Tube de protection fortement garni de suie Cause Mélange air / carburant trop riche, résistance chauffante de la sonde lambda défectueuse Remède Changez la sonde sinon elle risque de se colmater donc de ralentir la vitesse de réaction. Dépôts brillants sur le tube de protection Utilisation de carburant au plomb, lequel a attaqué et détruit les revêtements en platine de la sonde lambda et éventuellement du pot catalytique. Changez impérativement la sonde, vérifiez le pot catalytique. Dépôts clairs sur le tube de protection Présence d'huile dans la chambre de combustion ou utilisation de certains additifs pour carburant Changez impérativement la sonde, vérifiez le pot catalytique, vérifiez si le moteur perd de l'huile. Pour éviter un endommagement de la sonde lors de son incorporation, veuillez respecter les couples de serrage indiqués et utilisez le cas échéant un outil spécial. 11 Tube de protection fortement garni de suie Dépôts clairs Incorporation inadaptée

Testez vos 1 connaissances Enregistrez les courbes d'un pot catalytique intact (la sonde et le pot doivent avoir atteint leur température de fonctionnement!) U/V U/V 1 3 5 sec 1 3 5 sec Flux de gaz d'échappement 2 Comment appelle-t-on les deux sondes lambda en amont du pot catalytique? Sonde... en aval du pot catalytique? Sonde... Désignez les noms des composants d'un circuit de 3régulation à sonde lambda et reliez-les entre eux. 12

www.beru.com Si la sonde émet une tension de volt, 4cela signifie que le mélange est Si la sonde émet une tension de volt, 5cela signifie que le mélange est 6Quels gaz le pot catalytique à 3 voies convertit-il en substances non toxiques? et 9 10 Quelle Via le signal reçu de la sonde lambda la commande du moteur détermine en permanence la composition des gaz d'échappement. si la combustion fait "cogner" le moteur. s'il faut enrichir ou appauvrir le mélange carburant / air. est la couleur du fil par lequel transite le signal de la sonde lambda? Blanche Grise Noire 7 Dans quelle fourchette se situe le taux de conversion de ces substances sur les véhicules équipés d'un traitement régulé du mélange et d'un pot catalytique? 10 50 % 60 70 % 11 Que faut-il entendre par créneau λ? Le pot catalytique ne peut fonctionner que dans ce créneau. 8 90 95 % 100 % A partir de quelle température la sonde lambda garantit-elle une régulation sûre du mélange? env. 10 C env. 800 C 12 Lesquels C'est dans ce créneau que la conversion des 3 substances nocives en substances moins nocives, présentes dans les gaz d'échappement, est la plus efficace. des gaz suivants sont définis comme toxiques? env. 250 C plus de 900 C CO CO 2 CH NO X N 2 O 13

Réponses U/V 1 au test Enregistrez les courbes d'un pot catalytique intact (la sonde et le pot doivent avoir atteint leur température de fonctionnement!) U/V 1 3 5 sec 1 3 5 sec 2Comment appelle-t-on les deux sondes lambda Sonde lambda (sonde régulatrice) Sonde de surveillance 3 Désignez les noms des composants d'un circuit de régulation à sonde lambda et reliez-les entre eux. Carburateur Appareil de commande K Sonde lambda 14

www.beru.com 4 5 Si la sonde émet une tension de volt, cela signifie que le mélange est... pauvre car la teneur des gaz en oxygène est plus élevée. 9 Si la sonde émet une tension de volt, cela signifie que le mélange est 10... riche car la teneur des gaz en oxygène est moins élevée. Quelle X Via le signal reçu de la sonde lambda la commande du moteur détermine en permanence la composition des gaz d'échappement. si la combustion fait "cogner" le moteur. s'il faut enrichir ou appauvrir le mélange carburant / air. est la couleur du fil par lequel transite le signal de la sonde lambda? Quels gaz le pot catalytique à 3 voies convertit-il en substances non toxiques? 6Monoxyde de carbone (CO), hydrocarbures (HC) et oxydes d'azote (NOX). X Blanche Grise Noire 7 X 8 X Dans quelle fourchette se situe le taux de conversion de ces substances sur les véhicules équipés d'un traitement régulé du mélange et d'un pot catalytique? 10 50 % 90 95 % 60 70 % 100 % A partir de quelle température la sonde lambda garantit-elle une régulation sûre du mélange? env. 10 C env. 250 C env. 800 C plus de 900 C 11 Que faut-il entendre par créneau λ? X 12 Lesquels X X Le pot catalytique ne peut fonctionner que dans ce créneau. C'est dans ce créneau que la conversion des 3 substances nocives en substances moins nocives, présentes dans les gaz d'échappement, est la plus efficace. des gaz suivants sont définis comme toxiques? CO CO 2 CH X NO X N 2 O 15

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