Sensor de oxigeno o sonda lambda Para hablar del sensor de oxigeno debemos primero conocer algunos términos para comprender su función y funcionamiento. Estequiometría: “Es la parte de la química que trata sobre las relaciones cuantitativas entre compuestos y/o elementos en reacciones químicas” Los motores que utilizan gasolina como combustible mantienen un equilibrio entre entrega de potencia y generación de gases contaminantes, cuando funcionan con una mezcla estequiométrica de14.7:1; 14.7 partes de aire por una parte de combustible. Relación de mezcla = Peso del combustible / Peso del aire -Expresado en masa: 14.7 Kg. de aire por 1Kg. de combustible. -Expresado en volumen: 10.000 Litros de aire por 1 Litro de combustible.
Teóricamente es la cantidad de aire y combustible requerida para una combustión completa, y es, en este punto en donde el catalizador se desempeña en forma optima.
A la proporción 14.7:1 se le denomina LAMBDA 1 Lambda: Es el Índice de relación de aire, expresa en que punto se encuentra la mezcla en proporción al aire disponible para la combustión, con respecto al aire teórico necesario para una combustión completa. LAMBDA = masa de aire proporcionado / masa de aire necesaria
Si la cantidad de aire proporcionado, es igual a la cantidad de aire necesario, obtendremos un valor de lambda = 1 (14.7:1) De esta manera, obtener una lectura de lambda 1.10 (16.17:1) nos expresa un 10% de exceso de aire, un Lambda de 0.90 (13.23:1) expresa un 10% de exceso de combustible. Lambda mayor a 1 = mezcla pobre. Lambda menor a 1 = mezcla rica.
La unidad de control electrónico (E.C.U.) del motor recibe y procesa de diversos sensores información cada 0.02 Seg. Igual de rápida es su respuesta para emitir ordenes a los actuadores. (inyectores, avance de la ignición, entre otros).
La E.C.U. calcula la cantidad de combustible a suministrar dependiendo de la cantidad y densidad del aire admitido a los cilindros, en el momento preciso salta la chispa entre los electrodos de la bujía iniciando así, la combustión de la mezcla; la expansión de gases obliga al pistón a desplazarse desde el punto muerto superior hasta el punto muerto inferior produciendo trabajo mecánico, al subir el pistón nuevamente, los gases son desalojados del cilindro a través de las válvulas de escape, una vez que estos gases se encuentran en el colector o en el tubo de escape el sensor de Oxigeno verifica el nivel de O2 de los gases producto de la combustión. Funcionamiento de la sonda Lambda.
Esta basado en el principio de funcionamiento de una célula galvanica de concentración de oxigeno con un electrolito sólido.
El electrolito sólido esta formado por un compuesto cerámico de Dióxido de Zirconio estabilizado con oxido de Itrio, dicha estructura es impenetrable por los gases, la capa cerámica esta cerrada por un extremo, por el otro extremo esta en contacto con la atmósfera (aire exterior) como referencia, ambos extremos del cuerpo cerámico están provistos en su parte interna de electrodos que poseen una fina capa de platino permeable a los gases, un tubo cerrado por un extremo y ranurado por los laterales que protege al cuerpo cerámico de golpes y cambios bruscos de temperatura. El cuerpo cerámico es permeable a los Iones de O2 a partir de aproximadamente 350° C, con temperaturas de trabajo de 600° C , esta es la razón por la cual las sondas lambda están siendo provistas de sistemas calentadores (resistencias eléctricas) para que la sonda entre en funcionamiento (envíe señal a la E.C.U) cuando el motor aun, no ha alcanzado su temperatura normal de funcionamiento. El contenido de O2 en los gases de escape en relación con el aire de referencia producen una tensión eléctrica entre ambas superficies. Esta tensión puede ser, con una mezcla rica (lambda <1) de 800 a 1000 mV (0.8 a 1.0 voltios) con una mezcla pobre(Lambda >1), la tensión estaría en valores de 100 mV (0.01 Voltios). El margen de transición entre mezcla rica y pobre, esta entre 450 y 500 mV (0.45 a 0.50 Voltios).
El Diagnostico de vehículos con analizadores de gases, un registro de altas concentraciones de O2 en los gases de escape denotan carencia de combustible, concentraciones muy bajas de O2 acusan
mezcla rica, exceso de combustible, faltó oxigeno para encender toda la mezcla, la cantidad sobrante de O2 en los gases de escape con una mezcla estequiométrica representa un margen muy pequeño que debe ser medido por el sensor de O2 e interpretado por la E.C.U.
Análisis de la Sonda Lambda de banda ancha Introducción:
Las comprobaciones realizadas sobre la sonda lambda y su funcionamiento es el principal objetivo de análisis en esta ocasión. Se han realizado pruebas sobre dos tipos de sondas lambdas de banda ancha, tipo Bosch y tipo NTK. Dependiendo del vehículo tratado, incorpora un tipo u otro. Este tipo de sonda lambda, se utiliza en vehículos de gasolina para poder determinar con precisión el funcionamiento del motor con una mezcla muy pobre, con el objetivo de cumplir un nivel de homologación por anticontaminación cada vez mas exigentes. En relación a la eficacia real de la sonda lambda de banda ancha sobre un vehículo actual, el cual su rango de funcionamiento es a lambda 1, es de dudosa aplicación, ya que una sonda lambda convencional ya cumple perfectamente ese objetivo, sin necesidad de rango de trabajo hacia mezcla pobre. Por qué la sonda Lambda de banda ancha
La sonda lambda de banda ancha es utilizada para poder determinar con una cierta precisión mezclas con un abanico de trabajo amplio, que oscilan entre 11:1 a 22:1, o factores lambda de 0.9 (rica) a 2.2 (pobre). Para realizar el trabajo correctamente, utiliza una estructura diferente a una sonda lambda convencional, aunque su principio de medida es el mismo. Para el correcto funcionamiento de un sonda lambda de banda ancha, el sistema consta de dos etapas, una de medida y otra generadora de oxígeno. Con un circuito de control se determina el factor lambda resultante de los gases de escape. Este tipo de sonda puede utilizarse para hacer análisis de gases de escape en motores de Gasolina, Alcohol, Gasoil y Propano.
Sonda Lambda convencional
Se puede encontrar dos tipos de sondas lambda convencionales, siendo su principal diferencia el material. •
Sonda lambda de zirconio (ZrO2). o Esta sonda corresponde al material que genera tensión al reconocer una diferencia de oxígeno entre la parte exterior y la parte interior del escape, es decir reconoce la cantidad de oxígeno que tiene los gases de escape.
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Sonda lambda de titanio (O2Ti) o Esta sonda corresponde al material que produce variación de resistencia de la célula de medida en función de la cantidad de oxígeno que tiene los gases de escape.
Sonda lambda de zirconio (ZrO2)
Este tipo de sonda, genera una tensión entre la cápsula de medida, que corresponde a la generada por la diferencia de oxígeno existente entre el interior del colector de escape y el exterior. Cuando la mezcla es rica (lambda inferior a 1), la tensión generada es máxima (0,9 V). Cuando la mezcla es pobre (lambda superior a 1), la tensión generada es mínima (0.1 V)
Señal sonda lambda funcionamiento a ralentí
Señal sonda lambda funcionamiento a 2000 r.p.m.
El ciclo de corrección es mas rápido debido a la respuesta inmediata de la compensación. Al realizar la medida a un régimen acelerado, se observa la velocidad de respuesta de la sonda. En caso de que esta no tenga suficiente velocidad, la frecuencia de la señal sería muy lenta y a su vez los gases de escape muy variable en factor lambda. Sonda lambda de titanio (O2Ti)
Este tipo de sonda están constituidas por un elemento cerámico de bióxido de titanio. La conductividad del bióxido de titanio (O2Ti), está alterada con la presión parcial de la parte de oxígeno presente en los gases de la combustión.
Un exceso de oxígeno en los gases de la combustión, mezcla pobre, interactúa con la solución de O2Ti, haciéndola menos conductiva, es decir, más resistiva. En caso de que los gases de escape tenga menos oxígeno, mezcla rica, la solución de O2Ti se hace mas conductor, es decir, menos resistiva. En los sistemas con este tipo de sonda lambda, la UEC le aplica una tensión de referencia en el terminal de señal, que reaccionará como un divisor de tensión variable con la composición de la mezcla. La velocidad de respuesta de esta sonda lambda, es muy rápida, el tiempo que tarda en reconocer el exceso o falta de oxígeno, es prácticamente instantáneo. Esto no quiere decir que tenga precisión de para mezcla pobre, ya que una vez supera el valor lambda 1, su valor es constante en resistencia alta. SONDA LAMBDA DE BANDA ANCHA
En la actualidad nos podemos encontrar tipo BOSCH y tipo NTK, diferenciándose una de o tra en la presencia del amplificador operacional, una integrado en el conector lado sonda lambda y otra integrado en la unidad de motor. FUNCIONAMIENTO Preámbulo
El funcionamiento de esta sonda lambda, es similar a la sonda de oxido de circonio convencional,
pero con una variante importante y es un dispositivo para cambiar la característica de la cámara de medida en función de la información ofrecida. La base de funcionamiento de la sonda lambda de banda ancha, hace que la zona de funcionamiento de la célula de medida trabaje siempre en una zona de lambda 1. Para ello utiliza la célula de oxígeno, que se encarga de hacer variar el oxígeno medido para mantener la condiciona anterior. La unidad de control determina el valor lambda en función del trabajo de la célula de oxígeno para mantener el valor lambda 1 en la cámara de medida. Para ver mas claro su funcionamiento, vamos a dividir la sonda lambda en dos etapas, una la CELULA DE MEDIDA y otra la CELULA DE oxígeno. Célula de medida
Esta parte es la encargada de medir el porcentaje de oxígeno que contiene los gases de escape. Ofrece una tensión de 0 a 1 voltios en función del oxígeno. La tensión es mas elevada cuando aumenta la diferencia de oxígeno entre el contenido en los gases de escape y el que hay en el exterior.
Célula de oxígeno
Esta etapa es la encargada de modificar la cantidad de oxígeno que tiene los gases de escape en la cámara de medida de la sonda lambda. Para realizar esta modificación de oxígeno, desvía el mismo desde el exterior (aire de referencia) hacia la cámara de medida o a la inversa, en función de una corriente eléctrica que se le hace atravesar a la célula. La intensidad y el sentido de la corriente, determina la cantidad de oxígeno y si se extrae o añade a la cámara de medida. Con esta modificación del porcentaje de oxígeno en la cámara de medida, se consigue modificar también el valor lambda de la misma. Con el circuito electrónico, controla la intensidad de la célula de
oxígeno hasta que se obtiene en la cámara de medida un valor lambda 1, evidentemente esto indica que el valor lambda real de los gases de escape puede ser diferente de 1, como se verá justificado mas adelante.
Para determinar exactamente el valor lambda de los gases de escape, la unidad procesa el valor de tensión recibido por la célula de medida (en condiciones normales constante) y el valor de intensidad que le aplica a la célula de oxígeno (en condiciones normales variable). El funcionamiento en conjunto
La sonda lambda de banda ancha, se compone de la unión de la célula de MEDIDA y la célula de oxígeno y está controlada por un amplificador operacional que dependiendo del tipo de sonda (marca o modelo), éste se encuentra integrado en el conector o en la unidad de control de motor. Amplificador incorporado en el conector
Amplificador incorporado en la unidad de control de motor
El funcionamiento que se describe corresponde al sistema que tiene integrado el amplificador operacional en el conector.
La cámara de MEDIDA se encuentra alojada entre la célula de oxígeno y la célula de MEDIDA. Cuando los gases de escape entran en la cámara de medida, la diferencia de oxígeno que presenta con respecto al oxígeno exterior hace que se genere una corriente en bornes de la CELULA DE MEDIDA. Eléctricamente, la CELULA DE MEDIDA está sobre una tensión de referencia Vref (5), 2,5 voltios, esto supone que la tensión que genera la CELULA DE MEDIDA se le suma a este terminal (Vs). El valor de tensión que nos encontramos en Vs es 2,5 + V-lambda, podría adquirir entre 2,5 y 3,5 V si trabajara en los dos extremos. El amplificador operacional, tiene un terminal de referencia (-), a un voltaje Vref(1), de 3V.
El circuito de control lo realiza el amplificador operacional cuando Vs cambia y es mayor o menor que Vref(1). (RICA) Si Vs > Vref (1), la salida del operacional es mas pequeña que Vref(5), haciendo pasar una intensidad por la CELULA DE oxígeno con un sentido de forma que aumenta el % de oxígeno en la cámara de medida. (POBRE) Si Vs < Vref (1), la salida del operacional es mas grande que Vref(5), haciendo pasar una intensidad por la CELULA DE oxígeno con un sentido de forma que disminuye el % de oxígeno en la cámara de medida. Con esta corrección, la mezcla en la CAMARA DE MEDIDA va modificando para que su valor lambda sea 1, que es el valor de tensión en el que la CELULA DE MEDIDA ofrece una tensión de 450 mV, valor que se mantendrá constante durante la fase de funcionamiento. Mezcla con tendencia rica
Al tender el valor lambda por debajo de 1, la mezcla resultante rica, en la cámara de medida se obtiene una tensión que tiene tendencia a subir su tensión de 450 mV. Este efecto hace que el amplificador haga pasar una intensidad en un sentido determinado (como el representado en la imagen) a través de la célula de oxígeno. De esta forma se hace que el circule el oxígeno y se aumente el porcentaje en la cámara de medida, hasta que el valor es igual a 450 mV. A medida que se va aproximando a los 450 mV, el valor de intensidad va disminuyendo. Mezcla con tendencia pobre
Cuando la mezcla tiende a ser pobre, el valor lambda de la cámara de medida, tiende a aumentar, con la consecuente disminución de la tensión de la misma. Cuando ésta disminuye por debajo de los 450 mV, el circuito del amplificador se encarga de aplicar una intensidad a la célula de oxígeno en sentido opuesto al anterior (según está indicado), para poder disminuir el oxígeno de la cámara de medida y poder obtener un valor lambda 1 nuevamente.
Por tanto el amplificador ofrece una intensidad de valor y sentido proporcional a la mezcla que tiene como misión compensar el oxígeno en la cámara de medida para que ésta sea lambda 1, es decir, conseguir que la célula de medida ofrezca una tensión constante de 450 mV, obteniendo una franja de medida estable. En la gráfica se observa que cuando mayor sea la intensidad en sentido positivo, mayor lambda corresponde a los gases (no a la CAMARA DE MEDIDA, que será constante). •
Vref Pin 1 (3V) (entrada amplificador)
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Vref Pin 5 (2,5V) (cámara de medida)
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Vout Pin 6 (Valor proporcional a la intensidad)
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Vout Pin 2 (Valor directo amplificador)
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Ih Pin 3 Tensión 12v
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Ih Pin 4 Señal modulada Estructura sonda lambda con amplificador en unidad
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V1: Tensión aplicada a la CELULA DE oxígeno. Oscilando +/- 40 mV. Cuando es + la mezcla en pobre y cuando es la mezcla es rica.
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V2: Tensión de la sonda lambda (CELULA DE MEDIDA). Su valor está comprendido entre 425 y 475 mV.
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V3: Tensión de la resistencia de compensación. Su valor depende de la construcción de la sonda y le sirve a la unidad para compensar sus tolerancias. Curva de intensidad
La intensidad aplicada a la célula de oxígeno, está relacionada con el valor lambda tal y como indica en la gráfica.
SEÑALES TOMADAS SOBRE SEAT LEON (TIPO MOTOR APG)
Conector lado sonda lambda
Conector lado instalación
Las medidas son realizadas en los terminales del conector lado instalación, con el conector conectado. •
Vref Pin 1 (3V) (entrada amplificador)
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Vref Pin 5 (2,5V) (cámara de medida)
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Vout Pin 6 (Valor proporcional a la intensidad)
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Vout Pin 2 (Valor directo amplificador)
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Ih Pin 3 Tensión 12v
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Ih Pin 4 Señal modulada Medidas obtenidas con el osciloscopio
Medida realizada con el motor a ralentí en los terminales indicados:
Canal A terminal 6 Canal B terminal 2 Se observa la variación de tensión que produce la sonda a la salida del amplificador. Aunque es poco apreciable, la diferencia entre las dos señales es pequeña. Primeras pruebas de simulación " Simulando una mezcla RICA con un aumente de presión de gasolina. " Simulando una mezcla POBRE con una pequeña toma de aire. Mezcla pobre
Canal A terminal 6 Canal B terminal 2 " Funcionamiento con el motor a ralentí. " Señales solapadas (aunque no se diferencien). " El final de la señal indica el momento en que se produce la entrada de aire por la admisión. Mezcla rica
Canal A terminal 6 Canal B terminal 2 " Funcionamiento con el motor a ralentí. " Señales solapadas (aunque no se diferencien). " La tensión baja mientras se produce el enriquecimiento. Prueba a 1500 r.p.m. Se mantiene el motor a un régimen constante.
Canal A terminal 6 Canal B terminal 2 " Se observa que la corrección es constante, aunque el régimen aumente. " En este tipo de sonda lambda no aumenta la frecuencia de corrección al aumentar el régimen de motor. Mezcla rica
Canal A terminal 6 Canal B terminal 2 " Al simular mezcla rica o pobre, se observa una respuesta igual que a ralentí. Mezcla pobre
Calefacción de la sonda
Canal A terminal 4 Canal B terminal 6 " Se observa la señal cuadrada modulada para la resistencia de calefacción de la sonda. Comparativa con la tensión de referencia del amplificador
Canal A " Terminal amarillo lado lambda. 2,5 voltios de referencia. Canal B terminal 6 " La señal oscila sobre el valor de referencia de 2,5v.
Canal A " Terminal cable negro lado lambda (3 v de referencia).
Canal B " Terminal 6. El valor de tensión no supera los 3 voltios en condiciones de trabajo. Ponemos en marcha
Canal A terminal 6 " Señal en el momento de poner en marcha. " Se observa que la tensión en reposo es de 5v, una vez gira el motor la tensión disminuye hasta que empieza a corregir. " Inicialmente pasa muy por debajo de los 2,5 v, debido a que la mezcla es rica. Paramos el motor
Canal A terminal 6 " Cuando se para el motor, en este terminal sube la tensión hasta los 5 v. Medida de la tensión entre los terminales 6 y 2. Corresponde a la proporción de intensidad que circula por la célula de oxígeno.
Canal A " Terminal 6 Masa (osciloscopio) " Terminal 2. Esta tensión corresponde en bornes de la resistencia, hace referencia a la intensidad que pasa por la célula de oxígeno. " El motor funciona a ralentí y se acelera de golpe. " El nivel mas bajo es en el momento de acelerar. La curva superior es el momento de soltar el acelerador. Simulando una mezcla pobre y rica, se observa la respuesta de la intensidad de la célula de oxígeno. Mezcla pobre Canal A " Terminal 6 Masa (osciloscopio) " Terminal 2 " Con el motor funcionando a un régimen estable, no se produce casi variación de tensión, ya que la intensidad es pequeña para compensar la variación del valor lambda. " Observar que al aplicar una pobreza o riqueza se produce una compensación mayor y por tanto se ha de aplicar mas intensidad. " Según sea riqueza o pobreza, la tensión será en un sentido o en otro. " Observar que el valor de tensión es muy pequeño (40 mV) de corrección. Mezcla rica Al poner en marcha el motor y al parar el mismo, se observa la compensación inmediata de la célula de oxígeno. Puesta en marcha
Parada del motor
Fuente: http://www.automotriz.net/cgi-bin/antiframe.pl?ref=http://www.automotriz.net/tecnica/sondalambda.html
