Sondas lambda

Los automóviles y el medio ambiente

Cuando el combustible se quema en la cámara de combustión, además de productos inofensivos como agua, dióxido de carbono y nitrógeno, se generan emisiones nocivas, como monóxido de carbono, óxidos de nitrógeno e hidrocarburos.

Tanto políticos como ingenieros de la industria automovilística llevan años luchando contra estas emisiones nocivas. Por ejemplo, a finales de los ochenta, muchos vehículos de gasolina ya llevaban de fábrica un catalizador, que reducía notablemente dichas emisiones.

La sonda lambda desempeña un papel fundamental. Al garantizar las condiciones óptimas de funcionamiento del catalizador, permite a este cumplir su función.

Composición de las emisiones de escape

Las emisiones nocivas tan solo representan una pequeña proporción de las emisiones totales de un motor actual. De hecho, solo constituyen un 1,1 por ciento del total en los motores de gasolina y un 0,2 por ciento en el caso de los motores diésel. La mayoría del humo de escape consiste en nitrógeno, agua y dióxido de carbono.

Aun así, es importante que estas cantidades comparativamente reducidas de emisiones nocivas también resulten inofensivas.

La razón es que tienen consecuencias significativas para la salud, incluso en las concentraciones mínimas.

Las normas Euro

Las normas Euro son las disposiciones legislativas que definen los límites máximos que pueden alcanzar los vehículos nuevos al llegar al mercado.

En 1992 entró en vigor la primera norma Euro, la Euro I. Las disposiciones son cada vez más estrictas. La Euro 5 es vigente desde septiembre de 2009. La Euro 6 lo será a partir de 2014.

Con las tecnologías actuales, los límites definidos en las normas Euro no pueden cumplirse sin utilizar catalizador. Las normas Euro son la razón principal de que 135 de los 162 millones (aprox.) de turismos con motor de gasolina actualmente matriculados en Europa lleven de serie un catalizador de tres vías.

Posición de las sondas lambda

Para que el catalizador funcione de un modo eficaz, es esencial que la proporción aire-combustible de la cámara de combustión se controle muy rigurosamente. Es aquí donde la sonda lambda desempeña un papel fundamental.

Los vehículos actuales cuentan con al menos dos sondas lambda. Llevan una sonda reguladora del combustible delante del catalizador y —desde que el diagnóstico a bordo (DAB) está regulado— una sonda de diagnóstico detrás del catalizador.

El circuito de control lambda

La sonda reguladora mide el oxígeno residual que todavía queda en el gas de escape, antes de que acceda al catalizador. Según la concentración de este oxígeno residual, la sonda genera una señal, que se envía a la unidad de control de motor (ECU). La unidad de control usa esta información para ajustar la proporción de la mezcla aire-combustible.

La sonda de diagnóstico mide el oxígeno residual que todavía queda en el gas de escape, una vez procesado por el catalizador. Gracias a esta señal, la unidad de control de motor puede detectar fallos de funcionamiento importantes e informar de los mismos al conductor, generalmente por medio de un testigo luminoso del salpicadero.

Animación

Mezcla aire-combustible

La proporción teórica ideal de aire y combustible en un motor de gasolina es 14,7:1 , lo que significa 14,7 kg de aire por 1 kg de combustible. Esta relación se denomina «mezcla estequiométrica». Cuando un motor funciona en este modo, la cantidad de aire suministrada al motor se corresponde exactamente con la necesidad teórica de aire para lograr la combustión completa del combustible.

En la industria del motor, una medida de la proximidad de la mezcla aire-combustible a la relación «ideal»  se designa con la letra griega lambda. Sólo cuando lambda (λ)=1,0,  la relación será la adecuada para garantizar la combustión completa y, por lo tanto, un funcionamiento eficaz del catalizador, que convierte los gases de escape, casi por completo, en gases inocuos para el medio ambiente. 

Hoy casi todos los motores de gasolina funcionan con esta mezcla. Con otros tipos de combustible, la relación aire-combustible puede variar.

Factor de exceso de aire

Evidentemente, hay modos de funcionamiento en los que lambda no equivale a 1,0. Esta cifra, llamada factor de exceso de aire aporta información sobre la relación aire-combustible correspondiente.

Si la mezcla contiene más combustible del ideal, se habla de una mezcla rica (el motor funciona con escasez de aire). El factor de exceso de aire es lambda minor que 1,0.

En cambio, cuando la cantidad de combustible es inferior a la ideal (demasiado aire), se habla de una mezcla pobre. El factor de exceso de aire correspondiente es lambda mayor que 1,0.

Eficacia del catalizador

Si la alimentación del motor se mantiene dentro de un margen muy reducido en torno a la mezcla estequiométrica (λ=1), el catalizador de tres vías puede disminuir las emisiones nocivas de monóxido de carbono (CO) y óxidos de nitrógeno (NOx) en más del 95 por ciento. Los hidrocarburos no quemados también se oxidan eficazmente, y generan dióxido de carbono y agua.

Si el motor funciona con una mezcla rica (λ mayor que 1), se reduce el tipo de conversión: en concreto, la emisión de monóxido de carbono e hidrocarburos aumenta considerablemente.

Si el motor funciona con una mezcla pobre (λ mayor que 1) el tipo de conversión de óxidos de nitrógeno se reduce en gran medida y la contaminación ambiental aumenta notablemente. 

Tipos de sondas lambda

Básicamente, hay tres tipos diferentes y no intercambiables de sondas lambda.

Las sondas lambda de dióxido de circonio y dióxido de titanio también se denominan «de salto» o «binarias», porque la señal que emiten oscila entre dos valores, según si la mezcla de la alimentación es rica o pobre.

El tercer tipo son las sondas lambda de banda ancha, también denominadas «lineales», porque la señal que emiten, proporcional a una gran variedad de relaciones aire-combustible, puede medir con precisión dichas relaciones y la transición entre las mismas.

Sonda lambda de dióxido de circonio (sonda de conmutación)

La sonda lambda de dióxido de circonio es la más utilizada. Este tipo de sonda puede utilizarse como sonda reguladora o de diagnóstico, según el vehículo.

Modo de funcionamiento de la sonda de dióxido de circonio

El elemento de la sonda de dióxido de circonio es hueco y digitiforme. La cara interior está en contacto con el aire ambiente. La cara exterior está situada de modo que queda en la corriente del gas de escape. Ambas caras están cubiertas de una capa de platino fina y porosa, que hace las veces de electrodo.

La concentración de oxígeno en el aire de escape y el aire ambiente siempre es distinta. Cuando la sonda lambda alcanza la temperatura de funcionamiento, los iones de oxígeno empiezan a fluir por el electrolito cerámico, desde la parte con una mayor concentración de oxígeno, en dirección a la que tiene una menor concentración, con el fin de equilibrarse.

Todos estos iones dejan una capa de platino y alcanzan unos resultados diferenciales potenciales que generan un voltaje eléctrico (U). Si la mezcla es pobre, el voltaje será relativamente bajo (aprox. 0,1 voltios). Si la mezcla es rica, será relativamente alto (aprox. 0,9 voltios). Al superar el punto estequiométrico (λ = 1,0), se produce un salto característico en la tensión.

Sonda lambda de dióxido de carbono: asignación de cables

Según el diseño, las sondas lambda de dióxido de circonio pueden tener de uno a cuatro cables.

Las sondas de un solo cable negro no llevan calentador y el contacto de masa se lleva a cabo mediante la sección roscada de la caja metálica. Este único cable negro es la línea de transmisión de la sonda. Las sondas sin calentador que hacen el contacto de masa a través del cableado del vehículo tienen un cable de tierra de color gris.

Las sondas calentadas tienen tres o cuatro cables. En ambos casos, el cable negro transmite la señal de la sonda. Los dos cables blancos se encargan del suministro y la masa del calentador.

Las sondas de tres cables utilizan la caja metálica para la conexión de masa. Las de cuatro cables disponen de un cable de tierra gris que se conecta al sistema eléctrico del vehículo.

Sonda lambda de dióxido de titanio (sonda conmutadora de resistencia)

También se denomina sonda de óxido metálico. A diferencia de las sondas lambda de dióxido de circonio, las de dióxido de titanio no generan automáticamente un voltaje. El elemento cerámico es un semiconductor, cuya resistencia eléctrica varía según la concentración de oxígeno residual que haya en el gas de escape. Así, al aplicar tensión al sensor, se produce una señal variable, en función de la concentración de oxígeno.

Todas las sondas lambda de dióxido de titanio disponen de un elemento calentador integral. Debido a su diseño, no necesitan aire ambiente de referencia. Por lo tanto, suelen ser más compactas que las de dióxido de circonio.

El sistema de regulación de este tipo de sondas es muy distinto del de las de dióxido de circonio.

Modo de funcionamiento de la sonda de dióxido de titanio

Un elemento de dióxido de titanio cambia de resistencia eléctrica según la presión del oxígeno parcial (la concentración de oxígeno) de la mezcla de gas.

Con una concentración elevada de oxígeno (λ mayor que  1,0), el dióxido de titanio es menos conductivo; con una concentración baja de oxígeno (λ menor que 1,0), es más conductivo.

Si ahora se aplica voltaje al elemento, la tensión de salida cambia conforme a la concentración de oxígeno del gas de escape.

La temperatura operativa ideal de esta sonda lambda es 700 ° C. Las temperaturas superiores a 850 ° C pueden causar daños en el elemento de la sonda.

Otra ventaja de la sonda de dióxido de titanio es que no necesita aire exterior de referencia y, por lo tanto, es más pequeña.

Sonda de dióxido de titanio: asignación de cables

Las sondas lambda de dióxido de titanio fabricadas por NTK tienen tres o cuatro cables. 

En todos los tipos, la señal (+) es amarilla y la señal (-) es negra. 

El cable del elemento calentador (+) puede ser de dos colores: en las sondas lambda de tipo 1, es rojo; en las de tipo 2, es gris, y en ambos casos el elemento calentador (-) es blanco.

En los tres tipos de cable se omite el cable de señal (+) amarillo.

La sonda lambda de banda ancha

Cada vez se exige un consumo de combustible y unos niveles de emisiones de escape inferiores. De ahí que se haya hecho necesario que, en determinadas condiciones, los motores funcionen lejos del punto estequiométrico.

Al arrancar en frío y al circular con carga completa, puede requerirse una mezcla aire/combustible enriquecida (λ menor que 1,0 ). Estos modos de funcionamiento se analizan minuciosamente, en busca de nuevas estrategias para reducir el consumo de combustible.

Los motores más nuevos están diseñados para funcionar con una relación aire/combustible mucho más pobre que la estequiométrica, por lo menos durante parte del funcionamiento.  Estas estrategias «de mezcla pobre» deben regularse estricta y rigurosamente.

Con este propósito, llegan las sondas «de banda ancha», capaces de medir con exactitud y generar una señal proporcional a una gran variedad de relaciones aire-combustible. La alimentación puede mantenerse con cualquier relación aire/combustible deseada. Funcionan con enorme rapidez y precisión.

Las sondas de banda ancha también se utilizan en los motores diésel actuales, la mayoría de los cuales funciona con factor de exceso de aire.

Funcionamiento de la sonda lambda de banda ancha

Las sondas de banda ancha constan de dos células: una de medición y una de bombeo. Con la ayuda de la célula de medición, se mide la concentración de oxígeno del gas de escape —que se halla en la cámara de detección— y se compara con un valor nominal de 450 mV, que representa una mezcla estequiométrica.

Si el valor no coincide, se conecta el flujo de corriente a la célula de bombeo, para que los iones de oxígeno accedan a la cámara de detección o la abandonen (según corresponda). De este modo, se logrará que el voltaje de la célula de medición vuelva a ser de 450 mV.

Al medir el flujo de corriente, puede identificarse el valor lambda exacto de la mezcla. 

En una mezcla estequiométrica, no hay flujo de corriente, pues la presión parcial de oxígeno de la cámara de detección corresponde al valor nominal mencionado.

Señal de la sonda lambda de banda ancha

Con una mezcla estequiométrica (lambda = 1,0), no hay flujo de corriente en la célula de bombeo.

Con una mezcla rica, hay muy poco oxígeno residual, por lo que se genera una corriente negativa en la célula de bombeo y se bombea oxígeno al interior de la cámara de detección.

Con una mezcla pobre, hay más oxígeno residual, por lo que se genera una corriente positiva en la célula de bombeo y se expulsa oxígeno de la cámara de detección.

Sonda lambda de banda ancha: asignación de cables

Las sondas lambda de banda ancha NTK tienen cinco conexiones de cables. 

Los cables amarillo y azul alimentan el calentador. La señal de bombeo (lp+) circula por el cable blanco y  la de la célula de medición (Vs+) por el cable gris. El cable negro aporta la conexión de masa para la célula de bombeo y la de medición.

Sondas especiales

Es muy común que las aplicaciones modernas requieran sondas especiales. Por ejemplo, los motores de inyección directa de gasolina, el mundo del motor o el de las motos tienen demandas muy concretas en cuanto a la tecnología utilizada para la medición y el postratamiento de los gases de escape.

Sondas de NOx

Para que los motores de gasolina sean más económicos y ecológicos, los fabricantes de vehículos recurren cada vez más a los motores de inyección directa de gasolina que, con una carga parcial, funcionan con mezclas aire/combustible pobres. 

Con ellos, se puede ahorrar entre un 12 y un 20 % de consumo, pero se requiere una sonda de NOx. 

Para emplear las sondas de NOx se requieren unidades de control electrónicas especiales, que son parte integral del componente.

Funcionamiento de la sonda de NOx

En el modo de carga estratificada pobre, el punto de funcionamiento del motor ya no se halla en lambda = 1,0. Por lo tanto, queda fuera del margen óptimo de conversión del catalizador. Dado que este ya no funciona bien, la emisión de óxidos de nitrógeno aumenta considerablemente. Por esta razón, se emplea un catalizador de almacenamiento de NOx adicional, que almacena temporalmente los óxidos de nitrógeno.

Cuando el catalizador alcanza el punto de saturación y ya no puede almacenarse más NOx, la sonda de NOx lo detecta e indica a la unidad de control de motor que adopte el modo de mezcla rica (λ menor que 1) durante unos dos segundos. De este modo, los óxidos de nitrógeno se reducen químicamente y se convierten en nitrógeno inocuo. 

Esta «fase de regeneración» se repite en el modo de mezcla pobre aproximadamente cada 60 segundos.

Cable de asignación de la sonda de NOx

Esta es la asignación de cables en la sonda de NOx NTK.

Sondas lambda para motocicletas

Desde 1999 también hay límites en las emisiones de las motocicletas. Por eso muchos fabricantes les incorporan catalizadores de serie, incluso en las máquinas de poca cilindrada.

Pensando en este segmento del mercado, NGK SPARK PLUG ha desarrollado la sonda lambda especial OZAS-S3.

Contiene un elemento de dióxido de circonio especialmente resistente a las temperaturas elevadas, por lo que la sonda puede montarse cerca del motor, e incluso en la propia culata. Gracias a ello, la sonda puede alcanzar enseguida las temperaturas operativas necesarias, incluso sin calentador.

La ventaja de esta sonda es que resulta muy compacta y ligera. Además, puede emplearse un sistema de control sencillo, y el cable se «conecta» a la sonda de modo similar a una bujía.

Sondas lambda para el deporte del motor

En el deporte del motor se utilizan mucho las sondas de banda ancha, ya que la mezcla aire-combustible debe controlarse y ajustarse con gran precisión, seguramente lejos de λ = 1, para garantizar la máxima potencia.

Además, las sondas utilizadas en este entorno deben ser de estructura especialmente robusta, debido a las condiciones exigentes que se dan en las competiciones. Por ejemplo, la sonda no debe perder ni un ápice de exactitud aunque esté expuesta a largos períodos de temperaturas extremas en los gases de escape y niveles de vibración muy elevados. Ninguna de estas circunstancias debe dañar la sonda ni perjudicar los resultados de las mediciones.

Instalación de una sonda lambda

Para instalar una sonda lambda, debe utilizarse una llave de estrella abierta . Nunca deben usarse llaves de impacto, ya que pueden dañar el elemento cerámico.

Es preciso evitar que el cable se enrosque, se enganche o se dañe por cualquier otra razón.

Las sondas lambda de calidad originales (OE), listas para instalar, reúnen ventajas considerables: tienen las dimensiones y longitud de cables exactas, e incluyen todos los accesorios y arandelas necesarios. Además, podrá llevarse a cabo una instalación sencilla, sin problemas de compatibilidad.

Para facilitar aún más la instalación, las sondas lambda de NTK llevan un compuesto especial antigripaje,  que no daña la sonda (sin silicona), aplicado en las roscas.

Desgaste y reposición

Con el tiempo y el desgaste, el tiempo de respuesta de la sonda lambda se ralentiza y el salto de tensión se reduce.

Por lo tanto, la unidad de control de motor no recibe la señal a tiempo o bien dicha señal no es útil.

En ese caso, la unidad de control de motor activa el «modo de emergencia» y adopta una mezcla rica como precaución. Así se garantiza un nivel aceptable de rendimiento y se protegen los componentes del sobrecalentamiento.

El inconveniente es que el nivel de consumo de combustible aumenta considerablemente y se emiten a la atmósfera más gases de escape nocivos.

Muchas veces no se detecta el defecto hasta la siguiente revisión del gas de escape. El motor quema más combustible, por lo que se desperdicia dinero en cada kilómetro recorrido y se contamina más de lo necesario.

Animación

Prueba de una sonda lambda

Comprobación de sondas de conmutación de circonia

El instrumento más efectivo es el osciloscopio. Muestra el voltaje mínimo y el máximo, el tiempo de respuesta y la frecuencia. Al hacer esta comprobación, deben respetarse las especificaciones del fabricante.  

Procedimiento:

• Ponga el motor a temperatura operativa, a 2.000 r. p. m.
• Conecte el osciloscopio a una línea de transmisión, sin desconectar la sonda de la unidad de control de motor.
• Configure la gama de medición en 1 - 5 voltios y el tiempo en 5 - 10 segundos, teniendo en cuenta las especificaciones del fabricante.).
• Si procede, active el reconocimiento de señal automático.

Una sonda que funcione correctamente oscila entre los 0,1 y los 0,9 voltios, con una  frecuencia de 0,5 - 4 Hz.

Consejos para el diagnóstico

Por lo general, una comprobación visual nos da las primeras pistas de una posible avería. Los puntos a comprobar en el taller son:

Valor de la resistencia del elemento calentador:

Cables:

¿Están rotos los cables o el conector?

¿Está intacta la junta del cable?

¿Ha penetrado humedad en el conector?

¿Los contactos del conector están en buen estado?

¿Está demasiado apretado el cable?

Cuerpo de la sonda:

¿Hay daños visibles en la sonda?

Cada tipo de vehículo tiene una clase de sonda especialmente diseñada, por lo que es esencial que sólo se repongan con sondas de las mismas características.

Es muy importante utilizar los catálogos NTK actuales para encontrar la sonda de recambio correcta para cada aplicación.