SENSORES DE OXIGENO

En este artículo serán presentados los diversos tipos de sensores de Oxígeno,utilizados en los sistemas de inyección electrónica, en el control de mezcla encircuito cerrado. Especialmente serán analizados los diversos circuitos de entradaasi como el funcionamiento de los diferentes tipos de sondas menos conocidoscomo el sensor de Titanio y la sonda universal.

TERMINOLOGIA

El sensor de Oxígeno es identificado en la literatura automotiva a través de lassiguientes siglas:

EGO: Sonda no calentada.HEGO: Sonda calentada; cuando es de 4 cables, el retorno de la señal tambiénesta ligado a la carcasa de la sonda.ISOHEGO: Es siempre de 4 cables y el retorno de la señal esta aislado a lacarcasa, esto hace que la señal sea menos ruidosa.HO2S: Terminología usada en el protocolo OBDII para identificar al sensor deOxígeno calentado (norma SAE51930).UEGO: Sensor de Oxígeno universal de relación aire/combustible.

SENSOR DE O2 (SONDA LAMBDA)

Puede ser de 2 tipos, según el elemento activo:

1.-Zirconio.2.-Titanio

1.-Sonda Lambda de Zirconio:

Es el tipo más común actualmente. Esta hecho de un elemento de cerámica(Oxido de Zirconio); el elemento esta recubierto interna y externamente por unacamisa de Platino que cumple la función de electrodo.

La faz interna (electrodo de referencia) está en contacto con la atmósfera, y laexterna con los gases de escape.

Encima de 300ºC, el elemento de cerámica se transforma en una pila cuyatensión depende de la diferencia de concentración de Oxígeno entre la faz internay externa de la sonda

GRAFICA 1

-Gases de concentración inferior a 0,3% +- tensión > 0,8 voltios-Gases con concentración superior a 0,5% +- tensión < 0,2 voltios.

Una variación de tensión mas o menos abrupta para Lambda=1.Con temperatura inferior a 300º C, la sonda se comporta como un circuito abierto(resistencia infinita).

Las sondas de Zirconio pueden ser de 2 tipos:

1.-Calentadas por un resistor PTC interno que provoca una entrada enfuncionamiento independiente a la temperatura de los gases. Pueden ser:

a)-De 3 cables: 2 para alimentación del calentador; 1cable para la señal; el retornode la señal es hecho a traves del chasis.b)-De 4 cables: 2 cables para la alimentación del calentador para la señal y el otropara retorno de la señal; este último esta aislado de la carcasa.

c)-Sin calentador: No presenta el mencionado resistor, y la entrada en defuncionamiento (temperatura superior a 300ºC) depende de la temperatura de losgases de escape. Poseen generalmente 1 solo cable de la señal.

INTERFASE CON LA UNIDAD DE COMANDO.

1.-Sensor de Zirconio.Cuando la sonda esta ligada a la unidad de comando y esta inoperante

(fría), se pueden presentar 2 situaciones dependiendo del circuito de entrada a launidad de comando:a) La señal asuma un valor de tensión aproximado de 0 voltios. Este es el casodel sistema EECIV.

b) El circuito de entrada a la unidad de comando impone un valor de tensión deaproximadamente 0,45 voltios. Este en el caso de casi todos los sistemasactuales, excepto el EEC-IV.

GRAFICA 2

Por lo tanto, un valor de tensión constante a la señal, como los indicados arriba: 0 voltios en el caso “a”, o 0.45 voltios en el caso “b”, es indicativo de una sondainoperante.

2.-Sonda Lambda de TitanioSon más frágiles que las sondas de Zirconio y la señal de salida es másdependiente de la tensión de alimentación. Esta constituida de materialsemiconductor (Oxido de Titanio), lo que varía su resistencia interna en función dela concentración de Oxígeno en el ambiente donde se encuentra.

Una aleación de Oxido de Titanio es depositada sobre una plaqueta de cerámicacalentada por un circuito impreso resistivo, el período de calentamiento es deaproximadamente 15 segundos.

FUNCIONAMIENTO

La presencia de Oxígeno bloquea más ó menos el paso de electrodos por lacámara de Titanio, modificando de este modo la resistencia del material. Así elOxido funciona como un resistor variable, controlado por la concentración deOxígeno.

Este tipo de sonda no es un generador de tensión (como es el caso de la sonda deZirconio cuya resistencia se modifica).

Otra caracteristica importante es que no requiere una referencia de Oxígeno.

Recuerden que la sonda de Zirconio precisa que el electrodo de referencia esteen contacto con el ambiente el cual contiene 21% de Oxígeno no requiriendoreferencia de Oxígeno la sonda de Titanio presenta ventajas (cuando soncomparadas con el Zirconio) al ser utilizadas en vehículos fuera de carretera.

Las sondas ISOHEGO compensan esta ventaja, ya que la referencia de Oxígenoatmosférico a través de los cables y no de la regilla en la carcasa.

Con relación a su resistencia, el sensor de Titanio presenta la siguientecaracterística:-Ausencia de Oxígeno (mezcla rica): resistencia menor a 1 KOHMS.-Presencia de Oxígeno (mezcla Pobre): Resistencia superior a 20 KOHMS.

Esta variación de resistencia es mas ó menos abrupta para lambda=1. La unidadde comando alimenta al sensor con tensión de 1 volt. (Algunos vehículos JEEPS’90) o 5 voltios (Toyota Nissan).

Por el motivo indicado arriba (fragilidad y falta de precisión), este tipo de sondaesta siendo sustituida por la sonda de Zirconio.

Interfase con la unidad de comando sensor de Titanio.

El circuito de entrada es similar al utilizado en los sensores de temperatura, o yasea por su alimentación a través del resistor interno en la unidad de comando.

Dependiendo de la conexión eléctrica utilizada, la característica de tensión delsensor resulta similar a la de la sonda de Zirconio (tensión baja=mezcla pobre;tensión alta= mezcla rica u opuesta, como es mostrado en la FIGURA 3

SENSOR DE RELACION AIRE/COMBUSTIBLE

Cuando es debidamente calentado, este sensor es un generador de tensión quepresenta una curva de respuesta que casi linear para mezclas con factor lambdaentre 0,75 y 1.

Este tipo de sensor no presenta variación brusca de tensión para Lambda=1; laseñal de salida es proporcional a la concentración de Oxígeno.

La utilización de esta sonda permite un control mas preciso y gradual de mezcla, ycon una respuesta más rápida.

En la literatura automotríz este tipo de sensor es identificado con la sigla LAF (delingles “Lean air fuel sensor” o sensor de relación aire/combustible pobre)

CURVAS CARACTERISTICAS-COMPARATIVO.

Una caracteristica muy importante es que durante las aceleraciones, el sistemapermanece funcionando en circuito cerrado. De esta forma se obtiene una buenarespuesta para cualquier condición de carga recuerden que en el caso de lossistemas que utilizaban sonda LAMBDA, durante las aceleraciones el sistemapasa a trabajar en circuito abierto.

La sonda universal es indispensable para controlar la relación aire/combustibleen los modernos motores que funcionan con mezcla pobre y que trabajan enBanda de Lambda superior a 1,15.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

Este sensor esta compuesto de 2 sensores de Oxígeno en un mismo empaque ytrabajando en conjunto.Externamente presenta similitudes con una sondaLAMBDA convencional. El electrodo externo del sensor 1 ó célula de tensión, estaexpuesto a los gases de escape. El electrodo interno de la célula de tensión estáen contacto con la denominada célula de difusión; está en un espacio cerrado encontacto también con el electrodo externo del sensor # 2 o célula de inyección deOxígeno; el electrodo interno del sensor # 2 está en contacto con la atmósfera.Lacámara de difusión está aislado de la atmósfera y su contenido de Oxígeno, comoveremos, es controlado por la unidad de comando, a través de la señal de controlde la célula de inyección de Oxígeno. La UC monitorea la tensión de señal delsensor #1 (señal de célula de tensión); la cual funciona como una sonda deZirconio convencional, en el sentido que el voltaje de la señal refleje la diferenciade concentración de Oxígeno entre los gases de escape en el cámara de difusión.

La UC trata de mantener esta tensión entorno a 0,45 voltios, controlando laconcentración de Oxígeno en la cámara de difusión, inyectando o retirandomoléculas de Oxígeno de la misma.

Una modificación en la cantidad de Oxígeno presente en la cámara, esconseguida controlando la tensión de la señal del sensor de Oxígeno.

Una explicación de este mecanismo es el siguiente:-Así como una diferencia de concentración de Oxígeno entre la camara de difusiónla atmósfera produce una tensión en la señal de sonda # 2, una tensión aplicadaal mismo terminal provoca la inyección o retirada de moléculas de Oxígeno de lareferida cámara.

Resumiendo, la UC intenta mantener la señal de la célula de tensión (sensor #1)en torno a los 0 voltios; controlando la tensión aplicada al terminal de control de lacélula de inyección Oxígeno (sensor #2). A partir del valor de voltage aplicada, laUC determina la concentración de Oxígeno al escape.

CIRCUITO

El circuito presentado corresponde al sensor LAF utilizado en vehículos HONDA.El aumento en la utilización de los motores funcionando con mezcla pobre, paraque este tipo de sensor alcance una mayor difusión en el futuro.

Durante el funionamiento Normal:

-El valor de la señal de la célula de tensión esta entorno a los 0,45 voltios.-El valor de referencia es de aproximadamente 2,7 voltios-La tensión de la señal de control de la célula de inyección de Oxígeno varía entre1,7 voltios para mezcla rica, 03,3 voltios para mezcla pobre. Fig. 5