Sonda Lambda con la caratteristica colorazione di una combustione ottimale

Sonda lambda e sue modifiche, funzionano? La verità una volta per tutte

relazione tra carburazione e prestazioni-consumi in un motore a benzina

Ricevo spesso domande sulla opportunità di modificare o eslcudere la sonda lambda per ottenere vantaggi sulla gestione elettronica del motore. Il dibattito è tanto acceso e confuso che ho deciso di chiarire definitivamente l'argomento per tutti quelli che sollevano questo dubbio.

Quando ho deciso di intervenire sulla mia moto per risolvere i suoi difetti di erogazione e migliorarne le prestazioni ho iniziato a studiare diversi sensori e componenti della gestione motore per capire dove potevo agire per ottenere i miglioramenti desiderati.

I due dispositivi più interessanti in tal senso erano 1) il sensore IAT sul sistema di aspirazione, 2) la sonda lambda sul sistema di scarico.

Due sensori con funzioni apparentemente opposte, che collaborano nella gestione ottimale del motore e il cui segnale fornisce importanti informazioni alla centralina per ottenere l'iniezione desiderata nel nostro gruppo termico.

Ciò che ho sviluppato sul sensore IAT e relativi risultati è stato ampiamente descritto nell'articolo dedicato alla SMART IAT® . A questo punto ho voluto capire le funzioni della sonda lambda e se ci fossero vantaggi a modificare anche questo componente come fatto sulla IAT.

L'obiettivo finale e' sempre quello di ottenere una carburazione ottimale per avere la migliore guidabilità e rendimento del motore, come indicato dal grafico sopra. Poteva la modifica del segnale lambda aiutare a ottenere questo effetto o bastava la modifica della IAT?

differenze tra IAT e Lambda

Ho notato che alcune persone confondono i due tipi di sensore, quindi elencherò le caratteristiche di sensore IAT e sonda lambda perchè sono diverse e fondamentali.

  • sensore IAT
  1. si trova sulla aspirazione o in aria libera
  2. misura la temperatura dell'aria aspirata dal motore (prima che avvenga la combustione)
  3. restituisce una curva logaritmica in resistenza (kOHM)
  4. la gestione motore usa sempre questo segnale (transitori e parzializzati costanti)
  • sonda lambda
  1. si trova sempre sul condotto di scarico
  2. misura l'ossigeno presente nel gas di scarico (dopo che è avvenuta la combustione)
  3. restituisce una curva sigmoide in tensione (da 0 a 1V) [esistono altri tipi ma questo è il più comune]
  4. la gestione motore usa questo segnale solo in alcuni momenti precisi (regimi prossimi al minimo e a gas parzializzato costante)

Curve a confronto, la sonda lambda produce una uscita in tensione, il sensore IAT una resistenza

livelli lambda entro i quali è consentita la carburazione per un funzionamento corretto del motore

Abbiamo già visto che la IAT aumenta la sua resistenza al diminuire della temperatura, e che con un clima più freddo l'aria è più densa di ossigeno per cui la ECU mantiene il rapporto stechimetrico iniettando più carburante.

Quindi aumentando il valore di resistenza del segnale IAT si ottiene un arricchimento, e se questo valore è ben calcolato si ottiene una carburazione più vicina a quella desiderabile rispetto a quella imposta di fabbrica.

Nel caso della sonda Lambda le cose si complicano perchè abbiamo a che fare con un segnale in tensione, di basso valore e in un campo molto ristretto, tra 0 e 1V. Inoltre l'andamento sigmoide non è più assimilabile ad una retta ma ad una "S", con la flessione proprio nel punto stechiometrico, ossia quando la carburazione rispetta la condizione ideale in cui tutto il carburante è completamente bruciato (questo punto è rilevato intorno ai 500mV).

Dal grafico lambda si capisce anche che questo livello di tensione deve rimanere entro limiti ben precisi perchè il motore funzioni bene perchè se esce da questo range la carburazione sarà troppo ricca o troppo magra, causando una cattiva combustione fino a non farlo neanche stare acceso o mettendo a repentaglio la salute del motore. Si vede anche che c'è un certo range di variazione di tensione (cerchiato in rosso) in cui la carburazione resta vicina al rapposto ideale anche per variazioni più ampie di tensione, per poi allontanarsi più rapidamente per piccole variazioni. Quindi il segnale sarà sempre più instabile e meno affidabile man mano che ci si allontana dal valore di riferimento della sonda ( λ=1) che corrisponde alla combustione stechiometrica.

Sappiamo che il rapporto stechiometrico corretto è 14,7:1 (lambda=1) ma che quello in cui il motore esprime meglio le sue prestazioni è leggermentie più ricco, vicino a 13,5:1 (quindi lambda = circa 0,9). Il nostro obettivo è trovare il modo di portarlo a quel valore, anche se appare già evidente che è una condizione instabile per questo sensore. Perchè non riesce ad essere affidabile e preciso nella rilevazione fuori dal suo intervallo di funzionamento stabilito [quello nel cerchio rosso].

Cosa ci si può aspettare dalla modifica del segnale lambda

Diagramma della sonda lambda e limiti di sensibilità in rapporto al livello ottimale di combustione.

Come abbiamo accennato sopra, ci sono alcune criticità da affrontare in questa modifica.

- Bisogna modulare il segnale in tensione affinchè la carburazione si porti sul valore desiderabile di circa 850mV. Quindi non basta interporre una semplice resistenza (come si sarebbe potuto pensare di primo acchito) ma ci vuole un vero circuito elettronico che sia in grado di comparare il segnale reale con quello desiderato e inviare alla ECU quello modificato per far arricchire la carburazione fino e non oltre il livello ottimale. Per semplificare il concetto, la combustione ottimizzata deve avvenire con un rapporto di 13,5:1 ma la ECU deve credere che sia stechiometrica ricevendo un segnale lambda=1 (14,7:1)

- Il segnale Lambda viene utilizzato dalla ECU solo nei regimi del cosiddetto "closed loop" ossia quando il motore gira a un regime costante parzializzato, o al regime di minimo e dintorni. Nelle altre condizioni di guida viene ignorato per consentire gli arricchimenti necessari alla generazione di coppia e accelerazione. Questo è il grande limite rispetto a quello che si ottiene già solo con la modifica del sensore IAT, che è attiva sempre e efficace anche nei transitori (open loop), ovvero dove serve realmente la benzina quando si guida nel mondo reale. La modifica Lambda darà solo un arricchimento sulla iniezione base e non sulle altre.

 

Come si può fare allora?

primo approccio, si toglie la lambda e si mette un tappo.

Ci sono 3 modi diversi per modificare fisicamente il sensore Lambda e il suo segnale: 1) rimuoverlo, 2) mettere un emulatore, 3) inserire un modulo aggiuntivo tra sensore e centralina. Vediamoli uno per uno.

1) Rimozione del sensore lambda

Questo è il sistema più semplice (fai-da-te), in cui il connettore del sensore lambda viene staccato dal connettore, si può anche rimuovere la sonda lambda dal collettore e tappare il foro con un tappo filettato.

1) La centralina non riceverà alcun segnale dal sensore lambda = un segnale da 0 volt.
2) Quindi l'ECU crederà che la carburazione sia troppo magra e aumenterà l'iniezione.
3) Ma questo non cambierà il feedback (perché non c'è più alcun segnale) e l'ECU aggiungerà più carburante nel tentativo di correggere ancora la carburazione.
4) Questo processo continuerà fino a quando la miscela non sarà ricca quanto il software ECU consente. Oppure la ECU va in defalt, usando un arricchimento di sicurezza preimpostato, per evitare danni al motore

Una soluzione del genere produce un arricchimento indiscriminato (solo sulla iniezione base), sempre che la ecu non registri l'errore, accorgiendosi della mancanza fisica della sonda. Salgono i consumi e l'erogazione non trae un beneficio concreto.

in questo caso oltre a rimuovere la lambda e tappare lo scarico si collega un emulatore per ingannare la centralina simulando la presenza della sonda.

2) Emulatore lambda

Si tratta di un connettore senza fili che è sufficiente collegare al cavo lambda (lato centralina) dopo averlo scollegato dalla sonda lambda. A volte è sembra un modulo aggiuntivo, ma in realtà ha lo stesso contenuto e funzione del connettore terminato. Emula la presenza della sonda e non fa segnalare errori sul quadro.
Questi sistemi si possono comprare online, commerciali o artigianali, venduti come miglioratori di prestazioni e/o dei consumi.

1) Tecnicamente è un passo avanti alla semplice disconnessione del sensore lambda, ma il risultato pratico non cambia.
2) E' solo una coppia di resistenze che fa in modo che la centralina non rilevi errori sul cruscotto. 
3) Il segnale del sensore lambda alla ECU è sempre disconnesso, oppure viene forzato a un valore fisso con una resistenza, per far credere alla ECU che il rapporto stechiometrico sia sempre a un certo livello (magro).
Il comportamento sarà lo stesso della semplice esclusione del sensore, anche se si evita il recovery. Non è fisicamente possibile regolare la carburazione al livello ottimale usando l'emulatore perchè si perde il reale feedback sulla combustione.

diversi tipi di moduli lambda che, invece di escludere la sonda, modificano il suo segnale prima di inviarlo alla ECU

3) Modulo aggiuntivo sulla Lambda 

Il modulo aggintivo non elimina il segnale della sonda Lambda, ma si inserisce tra il sensore lambda e la ECU e regola il segnale per fare in modo che la ECU cambi la carburazione al livello desiderato. Questo approccio sembra più sensato e razionale. Ho quindi valtato se potevo adottarlo con soddisfazione, come già fatto con la SMART IAT, analizzando alcuni punti chiave:

1) L'obiettivo di questa modifica è spingere il sensore lambda a lavorare sul rapporto stechiometrico al di fuori del suo raggio d'azione naturale (guardate il grafico sopra con l'ntervallo del sensore). Questa è una bella sfida perchè la sonda non è in grado di ottenere un segnale stabile in quel punto della curva per i suoi limiti di sensibilità. Purtroppo la sonda lambda a banda stretta ha un "raggio d'azione" volutamente limitato per far funzionare il sensore entro dei limiti di sicurezza ristretti.

2) Il rapporto stechiometrico che ci serve per la migliore erogazione è intorno a 13,5: 1, che si trova in un'area in cui il segnale del sensore lambda sarà molto vicino alla sua tensione massima (1Volt) e fuori della sua area di sensibilità di rilevazione stabile. 

3) Un segnale che oscilla da 0 a 1,0 volt è un segnale a bassa tensione in un intervallo molto limitato. È molto sensibile e facile da disturbare, e anche una variazione di 0,05 volt cambierebbe molto il valore stechiometrico (uno scostamento 5% è tantissimo a livello di carburazione). Questo è un problema importante.
4) La parte della curva lambda su ci vogliamo intervenire varia molto con la temperatura del sensore (vedi grafico sotto), quindi anche regolando il rapporto stechiometrico al livello desiderato in condizioni di laboratorio, si rischia un risultato completamente diverso nell'uso su strada con tutte la variabilità ambientali. Questo spiega perchè nelle competizioni non viene usato questo tipo di sonda lambda allo Zirconio.

variabilità della tensione della sonda lambda in relazione alla temperatura dei gas di scarico. Un ulteriore punto di criticità nella possibilità di modulare il segnale per motivi prestazionali.

Conclusioni

mappa della lambda modificata in mappatura in modo appropriato per ottenere il rapporto ottimale di 13,3:1 su BMW R1200GS

Il punto veramente dolente di questa modifica è però fondamentale: anche riuscendo a eludere tutti gli ostacoli considerati nel paragrafo sopra e a far funzionare questo tipo di regolazione in modo impeccabile, si ottiene comunque l'arricchimento dell'iniezione dove non serve, ossia nei cicli a gas costante e non quando si richiede coppia, spunto e ripresa in "open loop". Inoltre si perde l'unico feedback disponibile alla ECU sulla qualità della combustione. Fondamentale anche per preservare la salute del gruppo termico.

Alla luce di questa analisi approfondita delle caratteristiche del segnale lambda e dei limiti a cui è vincolato, sono arrivato alla conclusione che NON è conveniente ne efficace modificare o rimuovere il sensore lambda.

In sostanza gli effetti che si possono ottenere sono un arricchimento rozzo e inaccurato quando quello di una resistenza fissa al posto della IAT (ricordate quella leggenda metropolitana della resistenza da 4,7kOhm che avevo già citato nell'articolo sulla SMART IAT). Anche accontentandosi di questo arricchimento approssimativo, lo si ottiene in gestioni di funzionamento poco utili, come i regimi del minimo (dove riesce solo a limitare l'effetto on-off) e regimi costanti, senza una efficacia sulla erogazione nell'apri e chiudi e nella progressione sotto carico.

Il vero passo avanti successivo per chi vuole ottenere di più, oltre ai benefici riscontrati con la modifica della IAT (SMART IAT), è la riprogrammazione della centralina. In questo caso si può intervenire in modo più razionale sulla gestione del segnale lambda sul suo algoritmo di controllo, escludendone le funzioni limitanti (e non quelle di sicurezza) e regolando il livello di iniezione in modo molto più redditizio, in concomitanza di una revisione puntuale delle mappe di iniezione a diversi carichi/RPM, di anticipo e relativi limitatori. Ho affrontato e descritto questo argomento QUI con grande soddisfazione.

Spero di aver finalmente chiarito perché ritengo sconsigliabile agire fisicamente sulla sonda Lambda se si vogliono risultati fruibili. ;-)