Sensor De Oxigeno

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 en circuito cerrado. Especialmente serán analizados los diversos circuitos de entrada asi como el funcionamiento de los diferentes tipos de sondas menos conocidos como el sensor de Titanio y la sonda universal.

TERMINOLOGIA El sensor de Oxígeno es identificado en la literatura automotiva a través de las siguientes siglas: EGO: Sonda no calentada. HEGO: Sonda calentada; cuando es de 4 cables, el retorno de la señal también esta ligado a la carcasa de la sonda. ISOHEGO: Es siempre de 4 cables y el retorno de la señal esta aislado a la carcasa, esto hace que la señal sea menos ruidosa. HO2S: Terminología usada en el protocolo OBDII para identificar al sensor de Oxígeno 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 una camisa de Platino que cumple la función de electrodo. La faz interna (electrodo de referencia) está en contacto con la atmósfera, y la externa con los gases de escape. Encima de 300ºC, el elemento de cerámica se transforma en una pila cuya tensión depende de la diferencia de concentración de Oxígeno entre la faz interna y 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 en funcionamiento independiente a la temperatura de los gases. Pueden ser: a)-De 3 cables: 2 para alimentación del calentador; 1cable para la señal; el retorno de la señal es hecho a traves del chasis. b)-De 4 cables: 2 cables para la alimentación del calentador para la señal y el otro para retorno de la señal; este último esta aislado de la carcasa. c)-Sin calentador: No presenta el mencionado resistor, y la entrada en de funcionamiento (temperatura superior a 300ºC) depende de la temperatura de los gases 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 la unidad de comando: a) La señal asuma un valor de tensión aproximado de 0 voltios. Este es el caso del sistema EECIV.

b) El circuito de entrada a la unidad de comando impone un valor de tensión de aproximadamente 0,45 voltios. Este en el caso de casi todos los sistemas actuales, 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 sonda inoperante. 2.-Sonda Lambda de Titanio Son más frágiles que las sondas de Zirconio y la señal de salida es más dependiente de la tensión de alimentación. Esta constituida de material semiconductor (Oxido de Titanio), lo que varía su resistencia interna en función de la concentración de Oxígeno en el ambiente donde se encuentra. Una aleación de Oxido de Titanio es depositada sobre una plaqueta de cerámica calentada por un circuito impreso resistivo, el período de calentamiento es de aproximadamente 15 segundos.

FUNCIONAMIENTO La presencia de Oxígeno bloquea más ó menos el paso de electrodos por la cámara de Titanio, modificando de este modo la resistencia del material. Así el Oxido funciona como un resistor variable, controlado por la concentración de Oxígeno. Este tipo de sonda no es un generador de tensión (como es el caso de la sonda de Zirconio 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 este en contacto con el ambiente el cual contiene 21% de Oxígeno no requiriendo referencia de Oxígeno la sonda de Titanio presenta ventajas (cuando son comparadas con el Zirconio) al ser utilizadas en vehículos fuera de carretera. Las sondas ISOHEGO compensan esta ventaja, ya que la referencia de Oxígeno atmosférico a través de los cables y no de la regilla en la carcasa. Con relación a su resistencia, el sensor de Titanio presenta la siguiente característica: -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 unidad de 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 sonda esta 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 ya sea por su alimentación a través del resistor interno en la unidad de comando. Dependiendo de la conexión eléctrica utilizada, la característica de tensión del sensor 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 que presenta una curva de respuesta que casi linear para mezclas con factor lambda entre 0,75 y 1. Este tipo de sensor no presenta variación brusca de tensión para Lambda=1; la señal de salida es proporcional a la concentración de Oxígeno. La utilización de esta sonda permite un control mas preciso y gradual de mezcla, y con una respuesta más rápida. En la literatura automotríz este tipo de sensor es identificado con la sigla LAF (del ingles “Lean air fuel sensor” o sensor de relación aire/combustible pobre)

CURVAS CARACTERISTICAS-COMPARATIVO.

Una caracteristica muy importante es que durante las aceleraciones, el sistema permanece funcionando en circuito cerrado. De esta forma se obtiene una buena respuesta para cualquier condición de carga recuerden que en el caso de los sistemas que utilizaban sonda LAMBDA, durante las aceleraciones el sistema pasa a trabajar en circuito abierto. La sonda universal es indispensable para controlar la relación aire/combustible en los modernos motores que funcionan con mezcla pobre y que trabajan en Banda de Lambda superior a 1,15.

PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Este sensor esta compuesto de 2 sensores de Oxígeno en un mismo empaque y trabajando en conjunto.Externamente presenta similitudes con una sonda LAMBDA convencional. El electrodo externo del sensor 1 ó célula de tensión, esta expuesto a los gases de escape. El electrodo interno de la célula de tensión está en contacto con la denominada célula de difusión; está en un espacio cerrado en contacto también con el electrodo externo del sensor # 2 o célula de inyección de Oxígeno; el electrodo interno del sensor # 2 está en contacto con la atmósfera.La cámara de difusión está aislado de la atmósfera y su contenido de Oxígeno, como veremos, es controlado por la unidad de comando, a través de la señal de control de la célula de inyección de Oxígeno. La UC monitorea la tensión de señal del sensor #1 (señal de célula de tensión); la cual funciona como una sonda de Zirconio convencional, en el sentido que el voltaje de la señal refleje la diferencia de 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 la concentración de Oxígeno en la cámara de difusión, inyectando o retirando moléculas de Oxígeno de la misma. Una modificación en la cantidad de Oxígeno presente en la cámara, es conseguida 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 difusión la atmósfera produce una tensión en la señal de sonda # 2, una tensión aplicada al mismo terminal provoca la inyección o retirada de moléculas de Oxígeno de la referida 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 la célula de inyección Oxígeno (sensor #2). A partir del valor de voltage aplicada, la UC 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, para que 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 entre 1,7 voltios para mezcla rica, 03,3 voltios para mezcla pobre. Fig. 5