Tipos de Sensores de Oxígeno

Ion Transiente en la Celda Nernst

Con el fin de reducir las emisiones, los motores de automóviles modernos controlan cuidadosamente la cantidad de combustible que combustionan. Ellos tratan de mantener la relación de aire combustible muy cercana al punto estequiométrico, que es el cálculo de la relación ideal de aire/combustible, utilizando la retroalimentación de un sensor Lambda.

Teóricamente, en esta relación, todo el combustible es quemado utilizando todo el oxígeno del aire.

Para los motores a gasolina esta es de alrededor de 14.7:1. Como las condiciones del motor y de conducción cambian, esta relación también cambia. En ocasiones esta será más rica o más pobre que el 14.7:1 ideal. En los vehículos KIA se aplican diferentes tipos de sensor de oxígeno. Estos tipos pueden ser divididos en dos grupos principales:

• Sensor de Oxígeno de banda Estrecha
• Sensor de Oxígeno de banda Ancha

Los Sensores de Oxígeno de banda estrecha son por ejemplo el de Zirconio y Titanio. El Sensor de Oxígeno de banda ancha es también referido como el Sensor de Relación Aire/Combustible y se aplica en los motores diesel y gasolina. Todos los sensores de oxígeno funcionan electroquímicamente, basados en el principio Nernst.

Celda Nernst

El físico Alemán Walther Nernst (* 25 de Junio de 1864, † 18 de Noviembre de 1941) desarrollo los principios termodinámicos de la celda de concentración en la que se basa el sensor de oxígeno Lambda. Nernst es reconocido con el premio Nóbel en 1920 por su trabajo. El voltaje Us del sensor depende de la temperatura del sensor y la relación entre la concentración de oxígeno en el aire de referencia y gas de escape.

Ion transiente en la Celda Nernst

En la superficie del electrodo de platino poroso que esta expuesta a la corriente de gas de escape, la conversión catalítica del oxígeno libre con el monóxido de carbono, produce hidrocarburos e hidrógeno. El sensor mide el oxígeno residual o balanceado remanente después de la conversión. Este contenido de oxígeno residual depende del valor Lambda de los gases de escape. Con el fin de que el sensor de óxido de Zirconio funcione, el óxido debe ser móvil. Para hacer el óxido más móvil y el sensor más estable, el óxido de Zirconio es adulterado con óxido de itrio y calentado sobre 450°C.

Itrio Adulterante

El Itrio adulterante introduce un defecto en los cristales de zirconio que deja vacíos. En el zirconio sólido, algunos iones Zr4+ son reemplazados por iones Y3+ de forma que se producen vacíos de oxígeno que permiten al anion óxido, O2-, moverse en el sólido, suministrando un electrolito sólido.

Sensor de Oxígeno de Zirconio del Tipo Plana

El sensor de oxígeno de dióxido de zirconio es una celda galvánica de concentración de oxígeno que utiliza un electrolito en estado sólido de unidad de cerámica de dióxido de zirconio estabilizada con óxido de itrio. El elemento sensor esta abierto a la atmósfera en un extremo y cerrado en el otro. Montado en ambas superficies, interior y exterior de núcleo cerámico hay electrodos de platino permeables al gas. El electrodo de platino del exterior actúa como un catalizador para soportar reacciones en los gases de escape que ingresan, este también tiene una capa de cerámica porosa para protegerlo contra la contaminación. La cavidad interior esta abierta a la atmósfera la que sirve como unidad de gas de referencia.

EMS 3

El Sensor de Oxígeno de Zirconio funciona electroquimicamente, en el principio Nernst. Cuando el electrolito cerámico se calienta a 350°C o a mayor temepratura este conduce iones de oxígeno. Entonces como un electrodo poroso de platino esta expuesto a la atmósfera y el otro a los gases de escape, las diferencias en la densidad iónica de los gases en cualquier extremo del electrodo tiende a entrar en equilibrio. Esto origina un flujo de iones desde el aire atmosférico a través de la cerámica y los gases de escape. Este flujo de iones a través de la cerámica roduce el voltaje medible. Los Sensores de Oxígeno de Zirconio no detectan la presencia de oxígeno. Lo que hacen es generar un voltaje relacionado con la diferencia en el contenido de oxígeno de la atmósfera y los gases de escape. Como la cantidad de oxígeno residual en el escape (siempre menor a la referencia del sensor) cambia, la salida del sensor varia desde 0V a 1V. Con la relación aire / combustible ideal de 14.7:1 (conocida como la relación estequiométrica) la salida es 0.45V a 0.5V. Es muy importante comprender que variaciones muy pequeñas alejadas de la relación ideal de aire / combustible producirán que la salida del sensor oscile entre sus extremos rico y pobre, por esta razón son llamados sensores de banda estrecha, ellos son capaces solamente de producir una señal proporcional al contenido de oxígeno en el escape en un rango estrecho alrededor del punto ideal estequiométrico.

Puede considerarse un sensor O2 de banda estrecha como un interruptor que cambia su salida de baja a alta y de vuelta cada vez que la relación aire/combustible cambia de su mezcla ideal 14.7:1. El Módulo de Control del Motor (ECM) y Módulo de Control del Tren de Potencia (PCM) utilizan esta señal rescatando el promedio de múltiples lecturas y ajusta constantemente la apertura del inyector de combustible para mantener el promedio de la lectura de voltaje de los sensores en 0.45V. Por esta razón la falla y aún los sensores O2 defectuosos no generan un código de error inmediato. El ECM tiene que monitorear el sensor en el modo de lazo cerrado por un período de tiempo antes para reconocer que su salida no esta cambiando, o no esta cambiando lo suficientemente rápido o dentro del rango apropiado. Esto puede tomar tanto como 3 a 5 minutos de conducción con velocidad estable. Es necesaria una velocidad estable para asegurar que el ECM permanece en el modo de lazo cerrado durante el tiempo suficiente para conseguir una lectura promedio limpia. La conducción a otra velocidad que no sea estable (alrededor de la ciudad) fuerza al ECM a cambiar de modo de lazo abierto durante la aceleración y desaceleración, cada transición reinicia el acumulador de prorrateo.

Sensor de Relación de Aire/Combustible

Los nuevos estándares NLEV (National Low Emission Vehicle) más California’s LEV (Low Emission Vehicle), ULEV (Ultra Low Emission Vehicle) y estándares SULEV (Super Ultra Low Emission Vehicle) requieren un control muy preciso de la relación aire/combustible. La reciente generación de sensores de oxígeno ha sido llamada sensores Lambda de “banda ancha” o “sensores de relación aire/combustible” debido a que ellos suministran una información precisa de la relación exacta de aire/combustible sobre un rango más amplio de mezclas, desde Lambda 0.7 (relación aire/combustible 11:1) a aire puro. El sensor de oxígeno de banda ancha es un sensor de 5 cables que lee oxígeno de forma muy similar al sensor tradicional de oxígeno. Este utiliza la última construcción planar con elemento sensor especial de dos partes para medir cuanto oxígeno hay en el escape. En comparación con un sensor de oxígeno usual de zirconio o titanio, el Sensor de Oxígeno de banda ancha puede medir la relación aire/combustible en un rango mucho más amplio.

Celda de Referencia

La celda de referencia funciona como un sensor de oxígeno común de titanio. Esta entrega una señal de voltaje (VS) basada en la mezcla. Una salida de bajo voltaje = mezcla pobre, una salida de alto voltaje = mezcla rica.

Aire

Como la Celda de Referencia funciona de manera semejante al Sensor de Zirconio convencional, un extremo de la celda esta abierto a la atmósfera.

Celda Bomba

Esta celda en conjunto con una reacción catalítica en la superficie de los electrodos, puede descargar el oxígeno excesivo o bombear oxígeno desde el gas de escape que rodea la cavidad de la celda, dependiendo de la dirección de la corriente IP. El objetivo es mantener un valor Lambda 1 dentro de la cámara de difusión.

Circuito Calefactor

Este circuito calienta el sensor de oxígeno de banda ancha hasta la temperatura de funcionamiento de 700°C a 800°C dentro de 10 segundos.

Resistor

Cada sensor de oxígeno de banda ancha esta individualmente calibrado y un resistor integrado al cuerpo del conector esta ajustado con láser a este valor.

La celda de referencia todavía mide la relación aire/combustible como lo hace un sensor de oxígeno de banda estrecha. Para conseguir precisión adicional, la celda bomba utiliza un cátodo y ánodo de bomba calefaccionado y algo de oxígeno desde el escape hacia la cámara de difusión entre la referencia y la celda bomba. La celda de referencia y la celda bomba están cableadas en conjunto de manera que toman una cierta cantidad de corriente mantener un nivel balanceado dentro de la cámara de difusión.

Mezcla Pobre

Cuando a mezcla es pobre la señal de salida generada por la celda de referencia es inferior a 450mV (VS). El circuito de control dentro del Módulo de Control del Motor (ECM), Módulo de Control del Tren de Potencia (PCM) suministra una corriente (positiva) a la celda bomba (IP). La celda bomba descarga el oxígeno excesivo desde es espacio de difusión al exterior para mantener el valor lambda en 1 dentro del espacio difusión. El PCM calcula la relación estequiométrica basado en la cantidad y dirección del flujo de corriente.

Mezcla Rica

Cuando la mezcla es rica, la señal de salida generada por la celda de referencia es superior a 450mV (VS). El circuito de control dentro del PCM suministra una corriente “negativa” a la celda bomba (IP). La celda bombea oxígeno desde los gases de escape alrededor de la cámara de difusión para mantener el lambda en 1 dentro de ésta. El PCM calcula la relación estequiométrica basado en la cantidad y dirección del flujo de corriente.

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