Sonde lambda

Une sonde lambda aussi appelée sonde à oxygène est un capteur céramique électrochimique à base de zircone (ZrO₂) destiné à mesurer le taux d'oxygène d’un gaz^[1],[2]. Elle est installée dans l’échappement des moteurs thermiques afin de contrôler la qualité de la combustion en mesurant la teneur en oxygène des gaz rejetés. Le terme « lambda » correspond à la lettre de l'alphabet grec λ qui est souvent utilisée comme nom de variable pour le rapport de mélange air/carburant d'un moteur.

Elle a été mise au point à la fin des années 1960 par la société Robert Bosch GmbH.

En 1976, le constructeur automobile Volvo est le premier à implanter ce capteur sur un véhicule de série. Son utilisation permettant un contrôle plus précis de l'alimentation en carburant du moteur, assurant une réduction importante des émissions polluantes.

Volvo a abandonné ses droits de brevet sur cette invention^[3]. L'utilisation de ce capteur s'est donc rapidement généralisée et la société Bosch a dépassé le milliard d'unités produites en 2016. La California Air Resources Board considère cette invention comme « L'innovation la plus significative de l'histoire de l'automobile en matière de contrôle des émissions. »

Au début des années 1970, les premiers pots catalytiques apparaissent sur les moteurs à allumage commandé (moteur à essence), ils doivent éliminer les polluants émis par le moteur, c'est-à-dire les hydrocarbures imbrûlés, le monoxyde de carbone et les oxydes d'azote (NOx). Pour que le fonctionnement du catalyseur soit optimal, il est nécessaire que le rapport entre la quantité d'air et la quantité de carburant soit proche de la stœchiométrie (ce qui correspond à un rapport massique air/essence égal à 14,7:1). Pour optimiser ce rapport, on utilise une boucle de régulation :

• la sonde lambda est placée sur la ligne d'échappement, entre le collecteur d'échappement et le pot catalytique. Elle permet de mesurer la quantité d'oxygène résiduelle dans les gaz d'échappement ;
• ses mesures sont envoyées au calculateur d'injection qui calcule la quantité de carburant à injecter pour que le rapport air/carburant dans le mélange soit le meilleur compromis entre puissance, consommation et émissions polluantes.

La quantité de combustible à injecter est différente selon la charge du moteur, la pression atmosphérique ou la température de l’air et du moteur. La sonde lambda est donc primordiale pour que le moteur soit le plus efficace possible, mais aussi pour l’environnement^[4]. Cela permet un faible niveau de rejets polluants et éventuellement une consommation réduite. Avec le temps, sous l'effet de la chaleur, de la poussière et de l'humidité, ces capteurs s'usent, ce qui peut entraîner une perte de puissance du véhicule^[5].

Depuis le début des années 2000 (véhicules compatibles avec les normes Euro 3 et E-OBD (on-board diagnostics) et les suivantes), en plus de cette sonde (dite « amont »), une seconde sonde est placée en aval du pot catalytique, afin d'optimiser son efficacité en permanence^[2].

L'élément actif de la sonde est la zircone (ZrO₂), utilisée dans une cellule électrochimique.

La zircone, sous forme monoclinique, se transforme en une structure cubique à partir de 1 173 °C. Si on introduit des cations un peu plus gros que le cation Zr⁴⁺, on peut stabiliser la structure cubique. Le cation le plus couramment utilisé est celui de l'yttrium Y³⁺ mais on peut aussi utiliser du calcium ou du magnésium^[6]. On parle de zircone stabilisée à l'oxyde d'yttrium ou zircone yttriée. Sous cette forme, elle permet la diffusion des ions O²⁻. Le principe de la sonde lambda est de mettre en contact le cristal de zircone yttriée avec une certaine pression partielle d'oxygène, on observe alors la formation d'anions O²⁻ et d'électrons.

La sonde lambda mesure la différence de potentiel entre la face de la zircone en contact avec les gaz d'échappement, et la face en contact avec un gaz de référence (de l'air). Deux électrodes en platine permettent de mesurer la différence de potentiel. Ces électrodes sont également poreuses pour permettre au oxygène d'atteindre la surface de la zircone. On peut ainsi calculer la concentration en oxygène dans les gaz d'échappement. Une différence de potentiel faible (environ 0,2 V) correspond à une concentration en oxygène dans les gaz d'échappement assez élevée (rapport air/carburant élevé correspondant à un mélange pauvre en carburant, émettant donc moins d'hydrocarbures imbrûlés et de particules fines de carbone mais plus d'oxydes d'azote), alors qu'une différence de potentiel plus élevée (environ 0,8 V) indique que la concentration en oxygène est très faible (rapport air/carburant faible correspondant à un mélange riche, à combustion incomplète).

Le capteur est très sensible dans le domaine où le rapport de mélange correspond à la stœchiométrie de la réaction de combustion, ce qui le rend particulièrement efficace pour les moteurs à allumage commandé. Depuis le début des années 1990, des capteurs utilisant deux cellules électrochimiques couplées sont utilisés pour des rapports de mélange élevés tels que ceux utilisés dans les moteurs Diesel.

Les capteurs céramiques en zircone ne commencent à fonctionner efficacement qu'à partir d'une température d'environ 316 °C. C'est pourquoi la plupart des sondes lambda récentes sont équipées d'éléments chauffants intégrés à la céramique qui permettent d'atteindre rapidement la température requise. Les sondes plus anciennes, dépourvues d'éléments chauffants, finissaient par être chauffées par les gaz d'échappement, mais il y avait un décalage entre le moment où le moteur était démarré et celui où les composants du système d'échappement atteignaient leur équilibre thermique. Le temps nécessaire pour que les gaz d'échappement amènent la sonde à température dépend de la température de l'air ambiant et de la géométrie du système d'échappement. Sans éléments de chauffage, le processus de mise à l'équilibre thermique peut prendre plusieurs minutes, ce qui est à l'origine de problèmes de pollution lorsque le système est encore froid.

• Oxymètre
• Pile à combustible à oxyde solide (même principe de fonctionnement que la zircone)
• Pot catalytique
• Panametrics oxygen sensors (en)
• Teledyne oxygen sensors

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