Sonda lambda

Sonda lambda (para Volvo 240)

La Sonda lambda (Sonda-λ), también conocida como sensor de oxígeno es un sensor situado en el sistema de evacuación de gas que ayuda a la hora de regular el factor óptimo entre combustible y aire. La medición se basa en la cantidad de oxígeno restante en el gas evacuado por el tubo de escape. La sonda lambda es el sensor principal en la electrónica de control conocido como regulación de lambda para la limpieza catalítica del gas emitido (popularmente denominado catalizador regulado). El sensor se basa en dos principios diferentes para las mediciones: el voltaje de un electrolito (sonda de Walther Nernst) y una variación de la resistencia eléctrica de un resistencia de cerámica (sonda de resistencia).

Su campo principal de aplicación es el motor de combustión interna, pero también se usa para regular el gas emitido por caldera de condensación y motores diesel.

La primera versión de la sonda lambda fue desarrollada en 1976 por la empresa alemana Bosch.

Función de la sonda Nernst

Un lado del sensor de cerámica esta expuesto a la corriente de gas evacuado, mientras que el otro se basa en una referencia sobre el nivel de oxígeno. En la mayoría de ocasiones se usa el aire del entorno, por medio de una apertura en la sonda o sobre una guía para el aire. Con ello se impide que el valor de referencia se vea influenciado por una posible contaminación de vapores de agua, aceite o combustible. Si la sonda se contaminara se reduciría la cantidad de oxígeno en la referencia y por ello se reduciría el voltaje de la sonda. En el caso de una referencia bombeada el aire del entorno no es necesario, sino que la referencia de oxigeno se basa en una corriente de inones a partir del gas evacuado.

En temperaturas superiores a unos 300 °C la cerámica de la sonda, compuesta de dióxido de circonio y dotada de itrio, se vuelve conductora de iones negativos de oxigeno. La diferencia de concentración da lugar a una difusión de iones del gas evacuado. Los átomos de oxigeno pueden moverse en la cerámica como iones de carga negativa doble. Los electrones necesarios para la ionización de los átomos de oxigeno son suministrados por los electrodos que son conductores electrónicos. De esta forma puede tomarse el voltaje de la sonda entre los electrodos de platino situados dentro y fuera. Esta información se transmite por medio del cableado a la centralita electrónica del motor. El valor se sitúa para λ>1 (mezcla ligera, demasiado aire) entre 0 y 150 mV, para λ<1 (mezcla cargada, demasiado combustible) entre 800 y 1000 mV. El voltaje medido se describe en la ecuación de Nernst. En un rango muy estrecho en torno a λ=1, denominada la ventana λ, la curva característica es extremadamente empinada. El voltaje se altera en la ventana en relación con la mezcla combustible-aire de una manera casi brusca.

Función de la sonda de resistencia

La sonda de resistencia no se usa de forma tan frecuente. El sensor esta compuesto de una cerámica semiconductora de dióxido de titanio. Los portadores de carga se crean gracias a posiciones sin oxígeno que hacen las veces de donantes. Cuando el oxígeno se aproxima las posiciones vacías se ocupan reduciendo así la cantidad de portadores libres. Los iones de oxigeno no son quienes proveen conductividad, sino el oxígeno reduce la cantidad de portadores vacíos. Cuando la concentración de oxigeno es alta el material del sensor adquiere una resistencia alta. La conductividad eléctrica σ en el rango de trabajo se describe por medio de la ecuación de Arrhenius con una energía de activación E_A:

$\sigma =A\cdot e^{-{\frac {E_{A}}{k\cdot T}}}\cdot p(O)^{-1/4}$

La señal se genera con un divisor de tensión con una resistencia eléctrica invariable.

Uso en motores

La sonda se atornilla en los motores Otto normalmente en el codo para desviar el gas o bien detrás del tubo colector. En vehículos con altos requisitos legales en lo referente a la limpieza del gas evacuado y al autodiagnóstico se utilizan varias sondas, en motores con cilindros en V una sonda por banco de cilindros o incluso una por cilindro para una regulación selectiva de los cilindros.

En motores Otto modernos con turbo la sonda se coloca tras el cargador del turbo.

Función

Una mezcla lambda correcta es un parámetro primordial para el control de la combustión y de la limpieza de los gases evacuados por medio del catalizador de 3 tiempos. En el mundo del automóvil la sonda lambda copo primero el mercado americano debido a las importantes limitaciones legales en lo referente a emisiones para cobrar más tarde un papel importante en Europa.

En el motor Otto clásico se usa además una sonda saltante (sonda Nernst) o bien sonda λ=1 para la medida lambda. El nombre 'sonda saltarina' se deriva del comportamiento de la señal de la sonda en el transito de entre una mezcla cargada (λ<1) y una mezcla ligera (λ>1). La señal de la sonda lambda realiza durantes los mencionados tránsitos un salto característico.

Montaje

Las primeras sondas lambda se montaron como sondas dedo. El sensor en si tiene forma de gorrita con el gas evacuado fuera y el aire de referencia dentro.

Cada vez son más frecuentes los sensores planos con varias capas en los que la función calefactora ya esta integrada.

El elemento de cerámica esta rodeado de un tubo protector. La función es que el sensor mantenga la temperatura deseada y a la vez evitar daños mecánicos. Para que el gas pueda penetrar en el tubo este dispone de pequeños agujeros.

Regulación

La sonda lambda compara de forma permanente el contenido de oxigeno residual en el gas con el contenido de oxigeno en el aire y envía el resultado en forma de señal eléctrica análoga a una centralita electrónica, la cual a partir de esta información junto con otros parámetros enviara una señal de control para alterar la mezcla, que en general en los motores Otto no es otra cosa que adaptar la cantidad de material inyectado (regulación lambda). En vehículos con OBD se ha de controlar la función de regulación de la sonda lambda y de la sonda de monitoreo de la centralita electrónica. Este control ocurre de forma esporádica. La centralita electrónica monitorea:

1. el rango de voltaje (max. 300 mVolt sonda de regulación)
2. la amplitud
3. la frecuencia de regulación
4. la interrupción de la bobina calefactora
5. Contacto con masa

En caso de mal función la centralita electrónica activara el icono OBD (MIL).

Los motores diesel y los denominados motores otto de mezcla ligera no operan, o de hacerlo, de forma excepcional, en la ventana λ. Especialmente el motor diesel es un concepto clásico de mezcla ligera que siempre opera con un exceso de aire (λ>1). Los motores diesel que despiden por el tubo de escape una mezcla excesivamente oscura suelen precisar de mantenimiento, tiene algún problema o bien la mezcla inyectada se ha manipulado por medio de „Chip-Tuning". Para la regulación de los motores diesel y de los motores Otto de mezcla ligera no puede usarse una sonda de valor λ=1, ya que no se puede evaluar el comportamiento de las señales con mezcla ligera o cargada.

Sonda de banda ancha

Para este propósito se creó la sonda de banda ancha. El montaje de una sonda de este tipo es más complejo. Esta compuesto de capas con calefactores integrados. El principio de medición se basa en 3 partes:

• el canal de difusión (azul) entre la salida del gas y el gas medido de la célula de Nernst,
• la célula de bombeo (rosa) igualmente entre la salida del gas y el gas medido de la célula de Nernst,
• la célula de Nernst (verde) entre el gas medido y el gas de referencia (aire).

El gas medido de la célula de Nernst se ve influenciado no solo por el gas evacuado sino también por un canal de difusión de flujo bombeado. El flujo bombeado se regula de tal forma que el flujo de oxigeno generado por la corriente eléctrica de la célula bombeadora equilibra el flujo de oxigeno del canal de difusión. De esta forma el gas permanece en λ=1. El flujo bombeado bombea en caso de una mezcla cargada iones de oxigeno en el gas medido de la célula de Nerst y evacua si la mezcla es ligera. Según las características del flujo podrá determinarse el lambda del gas evacuado. La regulación del flujo es tarea de un chip electrónico en la centralita electrónica del motor. La sonda NOx se utiliza en vehículos con catalizadores de almacenamiento de NOx. El montaje y modus operandi de estas sondas es similar a la de las sondas lambda de banda ancha.

Calefacción de la sonda

Ya que la temperatura de un motor frío esta muy por debajo de 300 °C, la sonda (y por ello el sistema de regulación) no funciona (o de forma limitada). Por eso hoy en día todas las sondas llevan incorporado un elemento calefactor para que la sonda alcance la temperatura adecuada. Gracias a ello garantizar un funcionamiento correcto de la sonda incluso en la fase de calentamiento del motor. La temperatura óptima de operación es para sondas λ=1 de entre 550 y 700 °C. Las variantes de banda ancha operan a temperaturas de entre 100 y 200 °C superiores.

Aspectos eléctricos

Para evitar interferencias y funciones erróneas del sensible elemento de control motivadas por variaciones del voltaje, ya no se usa la masa común del vehículo para la calefacción y el voltaje de la sonda, sino un cable separado para masa y señales conectado directamente a la centralita electrónica.

Sonda de monitoreo

En los motores Otto de última generación se usa una segunda sonda denominada Sonda de monitoreo para monitorear la función del catalizador y situada detrás de este. La centralita electrónica del motor puede comparar los valores de la sonda previo al catalizador con los valores de la sonda de monitoreo. Si el catalizador esta en perfecto estado hay una reacción posterior de la sonda de monitoreo frente a la señal de la primera sonda. Si el catalizador ya no esta en perfecto estado puede perder su capacidad de almacenamiento de oxigeno, con lo que se reduce la distancia entre la sonda del catalizador y la sonda de monitoreo. La centralita electrónica comunicara este problema en forma de una señal de error que se almacena en la memoria y un icono se activara en el panel de instrumentos.

La sonda de monitoreo, además de realizar una labor de diagnostico del catalizador, puede mejorar la exactitud de la primera regulación lambda y de la plausibilización de la primera sonda en el marco del autodiagnóstico.

Aplicación en el calentamiento del hogar

Mediante el uso de caldera de condensación en la sonda lambda situada en la chimenea puede medir el contenido de oxigeno y de esta forma regular la mezcla, para evitar el uso excesivo de aire, que conllevaría a un uso excesivo de energía por parte del sistema de calefacción.

Véase también

• Centralita electrónica
• Sensor

Enlaces externos

• Sensor de oxigeno o sonda lambda
• Sonda Lambda y otros sensores
• Sonda Lambda Bosch