Sonde lambda

Article écrit par Didier et Eric OVIEVE

La consommation de carburant et l'émission de gaz polluants peut être drastiquement réduite en ajustant aussi précisément que possible le mélange air/essence qui alimente le moteur. Le dosage optimum (14.7 kg d'air pour 1 kg de carburant) correspond à l'indice 1 d'un coefficient arbitrairement choisi, appelé Lambda; ce mélange est aussi appelé stœchiométrique. Afin de mesurer précisément ce dosage, un capteur d'oxygène est placé en sortie de moteur, avant le catalyseur. Ce capteur est relié au calculateur (ECU), et renseigne en permanence ce dernier sur la proportion de dioxygène (O2) à l'issue de la combustion du mélange air/essence. Si le mélange est pauvre, le dioxygène est en excès et vis versa.

En fonction de la richesse du mélange, le calculateur agit sur la quantité d'essence admise, en autorisant un temps d'ouverture des injecteurs plus ou moins long pour corriger la richesse du mélange. Ce principe opérant en permanence, on parle d'un système fonctionnant en contre réaction (closed loop).

La figure suivante montre l'étroitesse de la zone utilisable, la difficulté du problème des gaz d'échappement et illustre l'influence de la composition du mélange sur les gaz d'échappement (CO, C02, HC et NOx), mais aussi sur la consommation d'essence et le couple lors d'une charge partielle (régime moyen et remplissage du cylindre constants). Il est possible d'arriver à de bonnes valeurs de gaz d'échappement uniquement dans une plage étroite, de part et d'autre de lambda égal à 1.

Sondes Zirconium

La calibra 2.0i GT (motorisation C20NE), est équipée d'une sonde Lambda chauffée (3 fils) située sur la ligne d'échappement, avant le catalyseur. Ce dispositif de chauffage permet de disposer plus rapidement d'une information précise (dès 200°C, au lieu de 350°C pour une sonde non chauffée).

La figure ci-contre représente la partie du diagramme électrique qui concerne la sonde lambda (P32) où l'on distingue nettement l'élément chauffant, et la cellule galvanique.

Le dysfonctionnement de la sonde est détecté par l'ECU. Si le calculateur ne peut corriger le dosage air/essence en fonction des informations fournies par la sonde, deux types d'erreur peuvent apparaître, tels que décrits dans la table des codes d'erreur de l'ECU:

44: Capteur d'oxygène, mélange air/essence trop pauvre,
45: Capteur d'oxygène, mélange air/essence trop riche.

L'apparition de ces codes d'erreur ne signifie par forcément que la sonde Lambda est défectueuse. Il peut tout aussi bien s'agir d'un défaut de filtre à air (Filtre à air obstrué, donc débit d'air insuffisant, donc obligation de limiter au maximum le temps d'ouverture des injecteurs), d'un problème d'injecteur (Injecteur partiellement bouché, donc quantité d'essence insuffisante, donc obligation d'augmenter au maximum le temps d'ouverture des injecteurs). Aussi est-il conseillé de poser un diagnostic précis avant de procéder au remplacement de cette pièce coûteuse (~150 Euros). La durée de vie "normale" d'une sonde Lambda est de 100.000 km.

Mesure effectuée par la sonde

Le principe de fonctionnement de la sonde repose sur la mesure d'un courant (de très faible valeur) formé par le passage des ions (négatifs, résultant du processus d'ionisation associé à la combustion) de dioxygène à travers le corps poreux (Zirconium) de la sonde, dont une face est exposée aux gaz d'échappement et l'autre est exposée à l'air ambiant.

Ce courant produit une tension comprise entre 100 et 800 mV (0.1 à 0.8 Volts). Cette tension doit être mesurée à l'aide d'un oscilloscope ou d'un voltmètre numérique (forte impédance d'entrée, de l'ordre de plusieurs Mohms par volts). Plus la tension mesurée est élevée, plus la richesse est importante, et vis versa. Un montage original et inédit vous est proposé sur ce site.

Note: Mesurée à l'aide d'un oscilloscope alors que le moteur tournait au ralenti, j'ai mesuré une tension continue faiblement bruiteuse (quelques millivolts pic à pic), variant de 200 à 800 mV. Cette même tension peut aussi être mesurée à l'aide d'un contrôleur numérique (Tenir compte alors du temps d'intégration du contrôleur)

La mesure est désactivée pendant la phase de montée en température du moteur, à pleine charge (papillon ouvert en grand), et lors de décélération. Les sondes lambda s'encrassent, d'autant plus rapidement qu'elles fonctionnent à basse température. Cependant, elle se régénèrent lorsque la température des gaz d'échappement dépasse 600°C. Moralité, un petit décrassage sur l'autoroute ne leur fait pas de mal.

Démontage remontage

La sonde lambda est assez facilement accessible pas dessous la Calibra. Pour la retirer, démonter le connecteur situé sous le cache plastique, au niveau du trop plein de circuit de refroidissement. Dévisser la sonde lambda à l'aide d'une clé plate de 22mm.

L'étanchéité entre la sonde et la tubulure d'échappement est assurée par un joint torique en cuivre. Ce joint sera généralement complètement aplati, et pourra être remplacé par un joint de 18 mm de diamètre interne (type bouchon de vidange). Afin de faciliter le montage et démontage de la sonde, il est possible d'appliquer une goutte de graisse graphitée sur le filetage (voir illustration ci-contre).

Sondes Titanium

La résistance de la sonde change en fonction de l’oxygène restant dans les gaz de combustion. La sonde au Titanium est plus petite que la sonde au zirconium. Le temps de réponse est plus rapide. Certains véhicules sont équipés de sonde lambda au Titanium, environ 10% du parc mondial contre 90% des véhicules équipés de sonde lambda classique au zirconium. General Motors a monté ce type de sonde au Titanium avec les calculateurs Siemens du type SIMTEC 56.

Principe de fonctionnement

La résistance (R) diminue quand le mélange est riche.

L’élément sensible est une céramique de dioxyde de titane. Il existe différents types de sondes : 3 ou 4 fils, 12mm ou 18mm de filetage. La résistance de chauffage est de 4 à 7 ohms. Le signal de sortie oscille entre 0 et 1V ou entre 0 et 5V (en fonction du nombre de fils). Maintenant, la plupart des sondes ont un chauffage de la céramique afin de réduire le temps de mise en température de la sonde. Le principe de la sonde lambda au Titanium est complètement différent de celui de la sonde au Zirconium. L’élément sensible de la sonde lambda au Titanium se comporte comme résistance variable.

Le passage est très brutal d’une valeur de résistance faible (inférieure à 1000 Ohms) quand le mélange est riche à une valeur de résistance élevée (supérieure à 20,000 Ohms) quand le mélange est pauvre. Le calculateur du moteur doit générer une tension de référence (+5V pour le SIMTEC 56) qui est envoyé à la sonde et le calculateur lit la tension résultante à travers la résistance de la sonde.

Quand le mélange est riche la résistance de la sonde au Titanium est faible et la tension mesurée est élevée. Quand le mélange est pauvre la résistance de la sonde au Titanium est élevée et la tension mesurée est faible. Afin de garantir un fonctionnement optimum de la sonde au Titanium celle-ci doit être à une température élevée environ 500°C. De ce fait un chauffage dynamique est intégré dans la sonde lambda à partir de l ‘alimentation +12V. Le calculateur génère une tension à largeur d’impulsion pour garantir une température optimum. A pleine puissance moteur, les gaz d’échappement peuvent faire monter la température de la sonde jusqu’à 650°C.

Diagramme de raccordement du calculateur SIMTEC 56

Vue rapprochée de la liaison sonde lambda calculateur SIMTEC 56

Signaux à obtenir sur le connecteur de la sonde lambda lors d’un fonctionnement correct

Nota: Ces signaux sont observés à l’aide d’un oscilloscope.

	Signal observé au niveau du chauffage de la sonde, connexion A sur le schéma précédent
	Signal observé au niveau de la sortie de la sonde, connexion D sur le schéma précédent

Explications :

Le chauffage de la sonde lambda est assuré par du +12V arrivant en direct sur la borne C du connecteur (fil rouge). L’autre coté de la résistance retourne à la masse par l’intermédiaire du calculateur qui envoie des créneaux négatifs assurant ainsi un courant de passage. Les petites impulsions positives 12V sont normales. La liaison est assurée sur la borne A du connecteur d la sonde (fil blanc).

La tension sur la borne D (fil noir) est le signal du au capteur Titanium intégré dans la sonde lambda. La céramique se comporte comme une résistance variable qui bouge en fonction du mélange après combustion.

La résistance interne de la sonde lambda passe de plusieurs kOhms (moyenne 50K) pour un mélange trop riche à quelques centaines d’ohms (environ 500 Ohms ) pour un mélange trop pauvre. Cette variation rapide fait donc bouger la tension sur la borne D de +0,5V (mélange pauvre) à +4,5V (mélange riche).

Ces mesures sont faite moteur tournant au ralenti ou à régime établi constant à 2500–3000 tr/mn

Disfonctionnements de la sonde lambda au Titanium

Comment diagnostiquer la panne de la sonde lambda.

Dans un premier temps le voyant du calculateur s’allume. Il faut lire le code défaut enregistré en faisant un strap entre deux points de la prise diagnostic. Voir le comment faire sur le site super bien expliqué: http://www.topbuzz1.carenthusiasts.co.uk/info/fault_codes/fault_codes.htm

Voici dans le tableau ci-dessous les différents codes défauts concernant la sonde lambda.

13	Sonde Lambdaa	Circuit ouvert
38	Circuit Sonde Lambda	Tension élevée
39	Circuit Sonde Lambda	Tension basse
44	Sonde Lambda	Mélange pauvre
45	Sonde Lambda	Mélange riche
91	Chauffage Sonde Lambda	Tension élevée
98	Chauffage Sonde Lambda	Tension basse, Circuit ouvert

Pour les codes 44 et 45 un analyseur de gaz d‘échappement est nécessaire. Il faut donc passer un test anti-pollution. S’il y a une présence anormale de NOx, de HC ou de CO la sonde lambda n’est certainement pas en cause. Dans ce cas nous sortons du sujet qui nous préoccupe : la sonde lambda.

Pour les codes 13, 38 et 39 il est quasiment certain que le sonde lambda est défectueuse. Bien vérifier avant la connectique. Un signal oscillant peu est le signe d’une sonde usée. La durée de vie d’une sonde au Titanium est de l’ordre de 80000kms voir moins pour des circuits surtout urbains.

Pour le code 98 c’est l'élément de chauffage interne de la sonde qui est défectueux. La résistance est coupée. Il est possible de vérifier sa résistance à l’aide d’un ohmmètre entre les bornes A et C du connecteur de la sonde débranchée du calculateur. La résistance mesurée doit être comprise entre 7 et 15 ohms. Si la résistance est infinie, la sonde lambda est défectueuse.

Pour le code 91, vérifier les fils de la sonde ainsi que le connecteur. Si tout est OK il faut faire appel à un spécialiste OPEL afin de déterminer la cause du problème (le calculateur pourrait être en cause ….).

Analyser l'état d'une sonde lambda

	Contamination à l'antigel De l'antigel dans l'échappement attaquera et détruira l'élément actif de la sonde. Un joint de culasse défectueux est généralement la cause de cette contamination.
	Mélange riche en carburant Engendre la formation d'une couche noire de carbone sur l'élément actif de la sonde. Un mélange riche en carburant est habituellement provoqué par un dysfonctionnement du système de mesure air/carburant.
	Consommation élevée en huile Engendre la formation d'une couche friabl et brune. Les segments de piston et les guides de valves sont généralement usés, ou d'autres problèmes internes au moteur peuvent causer une consommation d'huile élevée.
	Empoisonnement au silicone La présence de lubrifiants de silicones dans l'échappement détruira rapidement l'élément de la sonde. Veiller à ne pas utiliser de lubrifiants à base de silicones.
	Dépôts de suie Les dépôts de suie provoquent l'obstruction de la sonde et interfèrent sur son temps de réaction. Le rapport air/carburant peut être ou trop riche ou le chauffage de la sonde est endommagé. Dans tous les cas, la sonde doit être remplacée.
	Additifs Les dépôts blancs ou gris indiquent que des additifs de carburant sont employés ou que le moteur brûle de l'huile. Certains composants des additifs de carburant et de l'huile polluent l'élément actif de la sonde.
	Plomb Les dépôts brillants indiquent qu'il y a du plomb dans le carburant. Le plomb attaque le platine sur l'élément actif de la sonde et dans le convertisseur catalytique. La sonde doit être remplacée. Après que le changement, veiller à ne mettre que du carburant sans plomb dans le réservoir...

Les liens

Documentation Magneti Marelli

Un site très complet, très bien documenté et en français:
http://perso.club-internet.fr/pboursin/pdgdiag9.htm

Un site bien illustré, en français:
http://www.garage-volland.info/sondlamb.htm

En anglais:
http://www.parttrackers.com/library/1/24/27

Une série d'échange de messages consacrés au sondes lambda, en anglais:
http://www.howstuffworks.com/framed.htm?parent=question257.htm&url=http://www.wps.com/LPG/o2sensor.html

Sondes lambda de seconde monte
http://www.lambdasensor.com