La sonda lambda ( sonda λ ) es un sensor para la composición relativa de los productos de combustión, que determina la proporción de combustible y oxidante a estequiométrica, utilizada en sistemas de control electrónico, por ejemplo, en el sistema de control de un motor de combustión interna en automóviles. Para que un motor de combustión interna funcione, es necesario preparar una mezcla formada por combustible y aire. Para que el motor funcione eficientemente, es necesario que la mezcla aire-combustible (FA) esté en la cámara de combustión en una proporción de 1:14.7. Cuando el motor está en marcha, la relación de combustible deseada se forma controlando los tiempos de encendido y apagado de los inyectores, en función de la cantidad de aire que aspiran los cilindros del motor, y que se mide al mismo tiempo.sensor de flujo de masa de aire . La sonda lambda le permite ajustar la proporción deseada de la mezcla de aire y combustible determinando la cantidad de combustible sin quemar u oxígeno restante en los gases de escape , lo que también reduce la cantidad de subproductos del proceso de combustión dañinos para los humanos.
El funcionamiento de la sonda lambda se basa en el potencial de Nernst , que se produce en los contactos del sensor, realizados en forma de electrodos porosos de película gruesa de platino recubiertos con una capa de espinela cerámica [1] .
La sonda lambda de tipo umbral actúa como una celda galvánica / celda de combustible de óxido sólido con una membrana sólida de separación de electrolito hecha de cerámica de dióxido de circonio estabilizado con itria (ZrO 2 ) , electrodos de platino porosos que se rocían sobre el electrolito, que también es un catalizador para redox reacciones Uno de los electrodos se lava con gases de escape calientes (el lado exterior del sensor) y el segundo se lava con aire de la atmósfera (el lado interior del sensor). El efecto de permeabilidad del electrolito (ZrO 2 ) para los iones O 2- se logra a una temperatura de membrana superior a 300°C. Para operar el sensor, se necesita oxígeno atmosférico en una cantidad muy pequeña, por lo tanto, generalmente sellado al agua, el sensor está hecho de tal manera que ingresa un poco de oxígeno desde el lado del cableado.
Si, durante el funcionamiento del motor de combustión interna, los gases de escape contienen productos de la combustión incompleta del combustible, una celda galvánica calentada durante la reacción redox de los productos de la combustión incompleta del combustible en los gases de escape con el oxígeno atmosférico genera una FEM de hasta 1,5 voltios entre los electrodos de la membrana. Este EMF de más de 0.7-0.9 voltios es interpretado por el programa ECU del automóvil como un signo de una mezcla de combustible "rica". Si la concentración de productos de combustión incompleta del combustible disminuye en la composición de los gases de escape desde el exterior del sensor, el valor de la FEM generada disminuye en consecuencia, y si hay oxígeno sin reaccionar en los gases de escape en lugar de los productos de combustión incompleta. combustión del combustible, entonces la FEM del sensor se acerca a cero debido a la igualdad de los potenciales redox en ambos lados de la membrana cerámica de la celda. El programa en la ECU interpreta un valor EMF de menos de 0.1-0.2 voltios como una mezcla de combustible "pobre". El EMF del sensor ~0.45 voltios indica que la mezcla quemada tiene una relación estequiométrica de combustible y aire.
Estructuralmente, los sensores se dividen por la cantidad de cables y la presencia de un elemento calefactor. Los sensores sin elemento calefactor usan 1 o 2 cables, con un elemento calefactor, 3 o 4 cables. La primera generación de sensores se calentaba solo con los gases de escape, por lo que comenzaron a dar una señal relativamente tarde después de arrancar el motor. Los sensores con un elemento calefactor que apareció más tarde comenzaron a poner en funcionamiento el sensor muy rápidamente, lo que cumplió con los crecientes requisitos ambientales y también hizo posible usar el sensor cuando la temperatura de los gases de escape no era suficiente.
Al comienzo del trabajo, después de arrancar el motor, la sonda lambda no da lecturas y la ECU se ve obligada a usar solo los mapas de inyección prescritos en ella. Este es un modo de circuito abierto , y no hay corrección de la mezcla de combustible por la sonda lambda en este modo. Cuando aparece una señal del sensor, la ECU del automóvil cambia al modo de retroalimentación, en el que los mapas de combustible originales se corrigen en función de las lecturas de la sonda lambda en tiempo real.
El sistema de control utiliza la señal para mantener la relación aire-combustible óptima ( estequiométrica , aproximadamente 14,7:1).
El funcionamiento del sensor no es lineal en el tiempo, las lecturas se desvían del óptimo muy rápidamente, por lo que la ECU se ve obligada a ajustar constantemente la mezcla. Al mismo tiempo, el motor rara vez funciona con la composición estequiométrica ideal de la mezcla, pero la mezcla se esfuerza constantemente por lograr la proporción ideal. La sonda lambda no informa exactamente cuánto oxígeno hay en los gases de escape, indica si hay oxígeno libre en el escape o no. El hecho de que haya oxígeno libre significa que debería haber más combustible en la mezcla, ya que parte del oxígeno no reaccionó. Y viceversa, si no hay o hay muy poco oxígeno, entonces es necesario reducir el suministro de combustible, especialmente porque si hay demasiado combustible, esto provocará la aparición de hollín y el llamado escape "sucio". En realidad, es imposible lograr y mantener una mezcla estequiométrica ideal durante mucho tiempo, ya que hay muchos factores que afectan constantemente la formación de la mezcla y la combustión. Por lo tanto, el objetivo no es el logro mismo de una relación estequiométrica, sino el deseo de lograrla, corrigiendo constantemente la mezcla y permaneciendo alternativamente en un estado "condicionalmente pobre", luego en un estado "condicionalmente rico", sin desviarse del óptimo. composición. El correcto funcionamiento del sensor permite minimizar la diferencia entre la relación aire/combustible real y la estequiométrica.
El gráfico de voltaje del sensor generalmente tiene la forma de una sinusoide con una transición bastante brusca de valores altos a bajos, y viceversa. El principio del ciclo es el siguiente: el sensor informó que la mezcla es "pobre": la ECU comienza a agregar combustible gradualmente; luego, el sensor informa que la mezcla se ha "enriquecido": la ECU comienza a reducir el suministro de combustible, y así sucesivamente, mientras la retroalimentación está activa. El cambio del suministro de combustible (en respuesta a las lecturas de la sonda lambda) generalmente se realiza utilizando dos variables en la ECU: una corrección "larga" y una corrección "corta", y están incluidas en el estándar de diagnóstico OBD-II . Una breve corrección permite que la mezcla siga al sensor en un segundo. La ECU calcula la corrección larga en función del análisis de la corrección corta, y es necesaria para cambiar toda la corrección, ajustándose realmente a las características y condiciones de una muestra de motor en particular. Cada corrección puede cambiar la inyección dentro de los límites establecidos por el fabricante, y si la suma de las correcciones largas y cortas supera el límite general, generalmente la ECU señala un error de formación de mezcla utilizando el indicador "check engine". La ECU generalmente usa un modo de operación de retroalimentación de sonda lambda hasta un cierto porcentaje de la carga calculada en el motor. A continuación, la ECU detiene temporalmente el modo de corrección, ya que existe la posibilidad de corrección ineficaz, y en estas condiciones es preferible el uso de mapas de inyección.
Dado que algo de oxígeno debe estar presente en el escape para la poscombustión adecuada de CO y CH en el catalizador, se puede usar una segunda sonda lambda ubicada detrás o dentro del catalizador para un control más preciso.
Tipo de sensor de oxígeno.
La principal diferencia entre una sonda de rango amplio y las sondas λ de banda estrecha convencionales es la combinación de celdas sensoras y las denominadas celdas de bombeo. La composición de su contenido de gas corresponde constantemente a λ=1, lo que significa un voltaje de 450 milivoltios para una celda sensorial. El contenido de gas en el espacio, y con él el voltaje del sensor, se mantiene mediante varios voltajes aplicados a la celda de bombeo. Cuando la mezcla es pobre y el voltaje del sensor está por debajo de 450 milivoltios, la celda bombea oxígeno fuera de la cavidad de difusión. Si la mezcla es rica y el voltaje es superior a 450 milivoltios, la corriente se invierte y las celdas de bombeo transportan oxígeno a las grietas de difusión. Al mismo tiempo, el elemento calefactor integrado establece la temperatura del área de 700 a 800 grados. Un sensor tipo LSU, cuando se sumerge en una mezcla sin quemar que contiene combustible y oxígeno, indicará "exceso de aire", en contraste con el umbral, cuya señal debe interpretarse como "exceso de combustible".
La señal de salida de un sensor de amplio rango depende de su controlador de control, puede ser actual o potencial. Por ejemplo, la corriente de salida del controlador del sensor de banda ancha I pn y los valores correspondientes de λ [2] :
| Ipn , mA | −5.000 | -4.000 | -3.000 | -2.000 | −1.000 | -0.500 | 0.000 | 0.500 | 1.000 | 1.500 | 2.000 | 2.500 | 3.000 | 4.000 |
| λ | 0.673 | 0.704 | 0.753 | 0.818 | 0.900 | 0.948 | 1.000 | 1.118 | 1.266 | 1.456 | 1.709 | 2.063 | 2.592 | 5.211 |
La principal ventaja de una sonda de banda ancha sobre una sonda de banda estrecha es la eliminación del ciclo de lecturas discretas de pobre a rica. La unidad de control recibe información sobre el grado de desajuste entre la mezcla y el valor óptimo, y esto le permite corregir con mayor precisión y rapidez la mezcla para lograr su combustión completa sin oxígeno libre.