La inclusión de dispositivos que controlan la emisión de gases en vehículos es una exigencia casi mundial. La tecnología electrónica para controlar la emisión parte de los microprocesadores y, por supuesto, termina en sensores que puedan detectar exactamente la cantidad de gases contaminantes existentes en la salida de un escape de un motor a combustión interna. El sensor empleado en esta tarea se denomina "SONDA LAMBDA" y es de él que trataremos en este artículo, analizando su principio de funcionamiento y cómo se utiliza.
Los motores de combustión interna utilizados en los automóviles como el nombre sugiere, queman gasolina, es decir, retiran para su funcionamiento la energía liberada en una reacción química de combustión.
El rendimiento del motor es máximo cuando todo el combustible inyectado en el interior el motor se quema, es decir, todo el combustible se combina con el oxígeno en una reacción química.
El resultado de esta quema es la producción de una cierta cantidad de gases que se emiten a través del escape al medio ambiente, tal como se muestra en la figura 1.
En la práctica, varios problemas pueden surgir con el funcionamiento del motor, y su propia variación de régimen de operación hace que la combustión no sea completa habiendo sobra de oxígeno o de combustible, o la producción de sustancias resultantes de una combinación incompleta del oxígeno con el combustible.
La compensación de la cantidad de combustible inyectada en el motor y el oxígeno de acuerdo con el régimen no es simple, ya que implica no sólo el monitoreo rápido y constante de los gases resultantes de la emisión, pero también una acción del circuito que controla los inyectores y la propia entrada de aire.
Los microprocesadores tienen las características necesarias para el escape de la realización de esta compensación y control, así como los dispositivos eyectores, pero el caso del sensor de gases?
En los escapados de los vehículos automotores actuales encontramos un dispositivo sensor que tiene por finalidad justamente hacer el monitoreo constante de la cantidad de gases emitidos, verificando qué tipo de compensación debe ser hecha para tener siempre el mínimo de emisión de gases nocivos y el máximo rendimiento del motor.
Este dispositivo, un sensor, se denomina "SONDA LAMBDA".
PORQUE SONDA LAMBDA
Conforme explicamos, lo que ocurre en el interior de un motor cuando funciona es una reacción química de combustión. Esto quiere decir que la cantidad de combustible y de comburente debe ser tal que la combinación sea completa.
Decimos que la reacción es completa porque las cantidades de combustible y comburente están en una relación estequiométrica. (Ver más en nuestro libro Curso de Electrónica - Electrónica Automotriz)
Para el caso del agua, por ejemplo, sabemos que la combustión completa ocurre cuando tenemos 2 g de hidrógeno para cada 16 g de oxígeno.
Para los motores de combustión interna analizados la combustión completa del hidrógeno y del carbono forman las cadenas de los hidrocarburos de las que se hace gasolina, como muestra la figura 2.
La relación estequiométrica definida para el caso de la gasolina es de 14,7 a 1 o 14,7: 1, lo que significa que debe aplicarse al motor 14,7 centímetros cúbicos de aire para cada centímetro cúbico de combustible.
Si hay más combustible que comburente, decimos que la mezcla aplicada al motor es rica, y si la cantidad de combustible es menor que la de comburente, decimos que la mezcla es pobre.
Los ingenieros automotores utilizan una expresión para definir la mezcla, la cual es dada por:
λ. = (aire / combustible) / (aire / combustible estequiométrico)
Es fácil percibir que el valor de ? (lambda) será 1 para una mezcla ideal o estequiométrica; será menor que 1 para una mezcla rica; y mayor que 1 para una mezcla pobre.
El nombre correcto del sensor es sensor de EGO "(Escape Gas Oxigen), ya que se basa en la presencia o no del oxígeno excedente en el gas del escape, pero el nombre de SONDA LAMBDA también se popularizó.
SONDA LAMBDA
Hay algunos dispositivos semiconductores cuya resistencia varía en función de la cantidad de oxígeno que absorben.
Como la combustión completa que debe ocurrir en un motor en funcionamiento perfecto significa la ausencia de oxígeno en los gases de escape, estos dispositivos pueden ser usados ??para la finalidad propuesta: control de la combustión del motor.
SONDA LAMBDA consiste en un sensor lineal aire / combustible que puede proporcionar una salida que varía linealmente según la concentración de oxígeno en la mezcla de los gases de escape.
La función de este sensor es monitorear constantemente la mezcla de los gases de escape del motor enviando información al microprocesador que podrá actuar sobre los elementos de admisión de aire e inyección de combustible para mantener la mezcla estequiométrica para las condiciones de operación en ese momento.
En la figura 3 tenemos una vista en corte de un sensor de este tipo a partir del cual analizaremos su principio de funcionamiento.
Los tipos más comunes de sensores de oxígeno son de óxido de zirconio (ZrOZ) y de óxido de titanio (TiOQ).
En la figura vemos el aspecto de este tipo de sensor, que funciona de la siguiente manera:
Un pedazo de óxido de zirconio forma el elemento sensible del sensor, estando dotado de electrodos finos de platino fijados en sus caras internas.
La parte externa se expone al medio ambiente para poder absorber el gas en él existente, para ello un recubrimiento poroso.
Cuando los átomos de oxígeno se ionizan, tienden a presentar dos electrones en exceso.
El óxido de zirconio tiende a atraer estos iones que se acumulan en su superficie junto a los electrodos.
De esta forma, en la presencia de este ion tenemos una concentración mayor de ellos en esta cara que en la otra, que es expuesta al aire ambiente y sirve de referencia.
Aparece así en el material un campo eléctrico cuya orientación e intensidad dependen justamente de la diferencia de concentración de los iones de oxígeno de las dos caras y también de la temperatura.
Conectado a un amplificador, la tensión entre los electrodos que se crea por este campo se puede aplicar a un circuito de procesamiento.
OTRO TIPO DE SENSOR
Otro tipo de sensor utilizado para determinar la concentración de oxígeno en los gases de los tubos de escape de los vehículos es el de óxido de zirconio (ZrO2) estabilizado con óxido de itrio (YO3), y que es visto en corte en la figura 4.
El óxido de itrio es el elemento de difusión que es calentado por un elemento resistivo.
En operación, una tensión se aplica al dispositivo para elevar su temperatura al punto de operación.
Funciona basado en la difusión de iones a través del elemento sensor que, entonces, pasa a presentar una resistencia dependiente de su concentración.
En la figura 5 tenemos un circuito típico de aplicación de ese sensor en el que el elemento amplificador es un amplificador operacional.
Se aplica una tensión de referencia en la entrada no inversora de modo que la tensión de salida pase a ser esa tensión de referencia multiplicada por la ganancia del circuito.
En el circuito de realimentación que determina la ganancia, está conectado el sensor.
De esta forma, la tensión de salida disminuye cuando la resistencia presentada por el sensor también disminuye, pues la ganancia del circuito se vuelve menor.
Una curva de respuesta del circuito se muestra en la figura 6.
Es importante observar que la resistencia del sensor es bastante alta, tratándose por lo tanto de un dispositivo de alta impedancia, de ahí la necesidad de utilizar un amplificador operacional en este tipo de aplicación.
CONCLUSIÓN
La preocupación por la emisión de gases que pueden resultar de una combustión incompleta es cada vez mayor en nuestros días por dos motivos.
Uno de ellos es que no se tiene el aprovechamiento ideal del propio combustible acarreando un aumento del consumo.
Los vehículos además de presentar el rendimiento máximo, deben ser económicos, obteniendo más potencia por litro de gasolina consumido.
La segunda preocupación es con el propio medio ambiente.
Una combustión incompleta hace que se lanzan en la atmósfera gases nocivos capaces de afectar la salud humana y el propio medio ambiente.
La electrónica puede tener una acción decisiva en el sentido de obtener el funcionamiento ideal de los motores con la ayuda de sensores similares a los que analizamos y también por el uso de procesadores alimentados con programas que sean capaces de llevar el motor al punto de funcionamiento ideal independientemente de sus condiciones de operación.
