Miscela aria-carburante
Il motore a ciclo Otto per funzionare necessita di un determinato rapporto di dosaggio tra aria e carburante. Il rapporto teorico necessario tra aria e carburante è 14,7 : l.
Per ogni condizione d'esercizio del motore è necessario eseguire una correzione della miscela.
Il consumo specifico di carburante di un motore a ciclo Otto dipende soprattutto dal rapporto di miscela tra aria e carburante.
Teoricamente per una completa combustione, e di conseguenza il più basso consumo, sarebbe necessario un eccesso d'aria, che però non si può realizzare a causa dei problemi di accensione della miscela e del tempo limitato disponibile per la combustione.
Nei motori moderni si ha il consumo di carburante più basso con un rapporto aria-carburante di circa 15... 18 kg di aria per 1 kg di carburante.
Per chiarire meglio questo concetto, diremo che per la combustione di 1 litro di benzina sono necessari circa 10000 litri di aria.
Poiché i motori degli autoveicoli funzionano per la maggior parte dei tempo nel campo del carico parziale, essi sono predisposti per consumare poco carburante proprio in questo campo di carico. Per altre condizioni d'esercizio, come minimo e carico massimo, è più conveniente una composizione della miscela più ricca di carburante. Il sistema di preparazione della miscela dev'essere in grado di soddisfare queste esigenze variabili.

Coefficiente d'aria
Per contrassegnare la differenza reale dell'effettiva miscela aria-carburante rispetto a quella teoricamente necessaria (14,7:1) si è scelto il coefficiente d’aria Lambda:

Lambda = volume d'aria immesso/aria necessaria per la combustione stechiometrica

I motori a ciclo Otto raggiungono la loro potenza massima con carenza d'aria tra il 5 e il 15 % (Lambda = 0,95 ... 0,85).
Si ha il consumo più basso di carburante con circa il 10 ... 20% di eccesso d'aria (Lambda = 1,1 ... 1,2). Un funzionamento regolare dei minimo si ottiene con circa Lambda = 1.

Sonda Lambda
La sonda Lambda fornisce una informazione sul valore del coefficiente d’aria Lambda.
Con Lambda = 1 il catalizzatore lavora in maniera ottimale.
Il lato esterno dell'elettrodo della sonda Lambda è immerso nel flusso dei gas di scarico, il lato interno dell'elettrodo è in collegamento con l'aria esterna (fig. 1).


Fig. 1:  disposizione della sonda Lambda nel tubo gas di scarico
1   Ceramica della sonda
2   Elettrodi
3   Contatto
4   Contatto dell'alloggiamento
5   Tubo gas di scarico
6   Strato di protezione ceramico (poroso)
7   Gas di scarico
8   Aria



La sonda è costituita essenzialmente da un corpo di ceramica speciale, le cui superfici sono munite di elettrodi di platino impermeabili al gas.
L'effetto della sonda si basa sul fatto che il materiale ceramico è poroso e consente una diffusione dell'ossigeno dell'aria (elettrolito fisso).
La ceramica diventa conduttiva ad alte temperature.
Se il tenore di ossigeno sui due lati degli elettrodi è differente, sugli elettrodi si forma una tensione elettrica. Con una composizione stechiometrica della miscela aria-carburante caratterizzata da Lambda = 1 si ha una funzione di salto (fig. 2).
La tensione e la resistenza interna della sonda sono funzione della temperatura.
Un affidabile funzionamento di regolazione può aver luogo con temperature dei gas di scarico d'oltre 350 °C (sonda non riscaldata) o d'oltre 200 °C (sonda riscaldata).

Fig. 2:  curva caratteristica della sonda Lambda per temperature di lavoro di 600 °C a) Miscela ricca (carenza d'aria) b) Miscela povera (eccesso d'aria)

Sonda Lambda riscaldata
Il principio costruttivo della sonda Lambda riscaldata (fig. 3) corrisponde a quello della sonda non riscaldata.
La ceramica attiva della sonda viene riscaldata dall'interno mediante un elemento riscaldante in maniera che, anche con temperatura dei gas di scarico ancora basse, la temperatura della ceramica della sonda sia sufficiente per il funzionamento.
Il riscaldamento della sonda riduce il tempo di messa in moto del motore fino all'inserimento della regolazione ed assicura il funzionamento di regolazione anche con gas di scarico freddi (ad esempio nel regime del minimo). Sonde riscaldate hanno tempi di reazione più brevi, a vantaggio della velocità di regolazione.