Análisis de los gases de escape
Debido a las últimas normas anticontaminantes, Euro V y VI, se hace necesaria la utilización de diferentes sondas que analicen los gases de escape emitidos por el motor. Desde las ya veteranas sondas lambdas o de oxígeno que analizan la cantidad de oxígeno presente en los gases de escapes, obligatorias desde el año 92, a las más recientes, que analizan el contenido de óxidos de nitrógeno, las partículas nd de carbono o la temperatura y la presión de los gases de escape.
Los productos resultantes de una combustión perfecta son dióxido de carbono (CO ), va2 por de agua (H O) y energía; 2 además, contiene un exceso de oxígeno (O ) y nitrógeno (N ). Desde el 2 2 momento en el que es imposible obtener una combustión completa, aparecen otros productos como óxidos de nitrógeno (NOx) procedentes del nitrógeno del aire, partículas en suspensión (PM), monóxido de carbono (CO), hidrocarburos sin quemar (HC), formaldehídos (CHO), benceno, compuestos orgánicos volátiles y óxidos de azufre (SOx). Algunos de estos elementos son contaminantes, puesto que ejercen una influencia nociva sobre el organismo humano y el medio ambiente. En porcentaje, los compuestos contaminantes suponen una mínima cantidad, un 0,3%, del total de los productos que resultan de la combustión. Según el tipo de combustible que requiera el motor, su toxicidad depende, principalmente de la concentración de NOx y de la cantidad de PM, en los motores diésel, y de la concentración de CO y de la cantidad de NOx, en los motores de gasolina. La reducción de los límites de los diferentes gases contaminantes ha hecho necesaria la aparición de ciertos sensores capaces de medirlos con precisión para determinar su proporción o si han sido eliminados con eficacia por los diferentes catalizadores que incorpora la línea de escape; por lo tanto, con la ayuda de los sensores, se controla el proceso del tratamiento de los gases de escape.
SONDA LAMBDA O DE OXÍGENO
Analiza la cantidad de oxígeno presente en los gases de escapes, obligatoria en las motorizaciones de gasolina desde 1992 e imprescindible en las motorizaciones diésel desde el año 2010 para poder cumplir la normativa Euro V. Son necesarias para analizar y ajustar la composición de la mezcla aire/combustible y verificar el correcto funcionamiento de los catalizadores.
Existen dos tipos de sondas:
1.Sonda lambda digiforme o de dos puntos
Son utilizadas en motorizaciones de gasolina. Para el funcionamiento de un motor de gasolina se requiere la aportación de una mezcla de aire/ combustible en una proporción determinada. Ésta es, teóricamente, de 14,7 partes de aire y una de gasolina (14,7:1) denominada mezcla de estequiometría ideal. Esta proporción debe corregirse en función del funcionamiento del motor (aceleraciones, deceleraciones). Para determinar en qué medida varía la mezcla real aire/ combustible del valor teórico necesario (14,7:1) se ha elegido el coefi - ciente de aire llamado lambda (λ). Fig. 1 La sonda lambda de dos puntos, también denominada genéricamente de “todo o nada”, se caracteriza por medir en rangos de lambda de 0.7… a…1.25; fuera de estos márgenes no da una señal válida. El elemento activo de la sonda es una cerámica de óxido de zirconio (ZrO ), recubierta interna y externa2 mente por capas de platino que hacen de electrodos. El electrodo interno está en contacto con el oxígeno del aire, mientras que el electrodo externo está en contacto con los gases de escape. A temperaturas inferiores a 300°C, el sensor se comporta como un circuito abierto; a temperaturas mayores de 300°C, la cerámica genera una tensión, denominada Nerts, y depende de la diferencia de concentración de oxígeno entre los electrodos. La tensión que genera varia de 100 mV (mezcla pobre) a 900 mV (mezcla rica) dependiendo de la composición de los gases tal y como se ve en la gráfica inferior tensión/coeficiente de aire. Para conseguir rápidamente la temperatura de funcionamiento la sonda incorpora una resistencia calefactora.
2.Sonda lambda de banda ancha o de segunda generación
La sonda lambda de banda ancha es necesaria en los motores diésel para cumplir con las normas anticontaminantes Euro V y VI. El calculador de control del motor determina la cantidad de gasoil básica a inyectar dependiendo del número de rpm del motor y la posición del acelerador. Para esa cantidad de combustible se designa qué proporción de aire corresponde para generar los mínimos NOx y partículas; lo consigue regulando los gases de escape (EGR). Si para una cantidad de carburante se apota más aire, las partículas disminuyen, pero aumentan los NOx; y, si se aporta menos aire, las partículas aumentan. Por lo tanto, en un funcionamiento incorrecto de los inyectores del caudalímetro no se respetarían las proporciones correctas. En estos casos mediante la sonda lambda de banda ancha se corregiría dicho disfuncionamiento al anali-
zar el oxígeno de los gases de escape. También son utilizadas para conocer el correcto funcionamiento del filtro de partículas. Es una sonda que funciona en un margen mucho más amplio que las digiformes. Este margen va desde mezclas de 11:1 a 22:1 (λ entre 0,9 a 2,3). Existen diferencias entre el tipo anterior y éste. Mientras que el tipo convencional genera una tensión entre valores de lambda 0.85 a 1.2, fuera de este valor la tensión que genera no es proporcional al oxígeno existente en los gases de escape, es una señal lineal (ver el gráfico "tensión/ coeficiente de aire"). La sonda de banda ancha está provista de una cámara interior llamada “cámara de medida”, a la que siempre se le hace trabajar en un valor de λ=1 (450 mV). Esto se consigue introduciendo oxígeno dentro de esa cámara o extrayéndolo mediante una célula de bombeo. La introducción o la extracción dependen del sentido de la corriente que se le aplica a la cámara. El elemento sensor es de dióxido de circonio (ZrO ). Este material tiene la propiedad de que al aplicarse una tensión eléctrica los iones de oxígeno negativos pasan del electrodo negativo al positivo. Cuando la medida es inferior a 450 mV (mezcla pobre) el calculador de gestión del motor aplica una intensidad con un sentido a la célula de bombeo. En esta situación en la cámara de medida se extrae oxígeno, haciendo que la mezcla sea más rica que la real; en este momento la tensión de la célula de medida crece. Cuando la medida es mayor de 450 mV (mezcla rica) el calculador de gestión del motor aplica una intensidad en sentido contrario al anterior a la célula de bombeo; en este momento se introduce oxígeno en la cámara de medida, por lo que la célula tiende a medir una mezcla más pobre que la que realmente tiene. Por tanto, el calculador de gestión del motor da una corriente de valor y sentido proporcional a la mezcla existente, que tiene como misión compensar el oxígeno para que en la cámara de medida, la mezcla tenga una λ=1 y, por tanto, una señal de 450 mV.
SENSOR DE NOX (ÓXIDOS DE NITRÓGENO)
La reducción tan importante aplicada a los óxidos de nitrógeno en la normativa Euro VI ha hecho necesaria la implantación de una sonda que verifique el correcto funcionamiento del catalizador de reducción de óxidos de nitrógeno. Algunos fabricantes también incorporan dicha sonda a la entrada del catalizador de reducción de NOx para determinar el porcentaje de óxidos nítricos contenidos en los gases de escape. Las co-
rrientes de señales del sensor de NOx son de microamperios. Para una mayor precisión en la medida no se envían las señales a través de un cable largo hasta la unidad de control de motor, sino que son analizadas por la unidad de control del sensor NOx, situado a menos distancia; éste procesa las señales y las envía a la unidad de control del motor. El sensor de NOx y la unidad de control del sensor forman un conjunto indivisible; en caso de avería es necesario sustituir ambas partes. El funcionamiento del sensor de NOx está basado en la medición del oxígeno y es un derivado de una sonda lambda de banda ancha. El sensor de NOx consta de dos cáma- ras de medida, dos células de bombeo, varios electrodos y una resistencia calefactora. Una parte de los gases de escape ingresa en la primera cámara. En ésta se reduce la concentración del oxígeno para poder medir el contenido de óxidos nítricos en los gases de escape. Debido a que son diferentes los contenidos de oxígeno en los gases de escape y en la célula de referencia, se obtiene en los electrodos una tensión eléctrica medible. La unidad de control para el sensor de NOx regula esta tensión a un valor constante. Este valor equivale al de una proporción de aire/combustible de lambda 1 (450 mV). La célula de bombeo ex- pulsa o introduce oxígeno, con lo cual se regula la concentración del oxígeno en la primera cámara a un valor determinado. Los gases de escape fluyen de la primera a la segunda cámara. Las moléculas de óxidos de nitrógeno (NOx) contenidas en los gases de escape se disocian en nitrógeno (N ) y oxíge2 no (O ) en un electrodo especial. De2 bido a que la tensión en los electrodos interior y exterior se regula a 400 mV de un modo uniforme, los iones de oxígeno migran del electrodo interior al exterior. El caudal de oxígeno impelido constituye una medida relativa al contenido de nitrógeno en la segunda cámara. Debido a que la corriente de la célula de bombeo es proporcional al contenido de óxidos nítricos en los gases de escape, puede determinarse el porcentaje de óxi-
dos nítricos. Las sondas de NOx son ligeramente más estrechas que las sondas lambdas proporcionales o de banda ancha.
SENSOR DE PARTÍCULAS DE CARBONO (PM)
El sensor de partículas va alojado pasado el filtro de partículas; su misión es verificar su correcto funcionamiento. El funcionamiento del elemento sensor se basa en una medición de resistencia. Las partículas de hollín acumuladas constituyen vías eléctricas entre las cámaras de los electrodos, a través de los cuales fluye una corriente. Con el aumento de las partículas adsorbidas, la cantidad de la corriente que fluye a través de la trayectoria aumenta. Si la corriente es superior a un valor predeterminado el sensor quema las partículas adsorbidas y se regenera de forma sistemática quemando las partículas absorbidas. Mediante la intensidad de corriente medida el software de diagnosis encargado del filtro de partículas diésel determina el funcionamiento del filtro de partículas diésel.
SENSORES DE TEMPERATURA DE GASES DE ESCAPE
Las sondas de temperatura de gases de escape, situadas antes del catalizador de oxidación, antes y después del filtro de partículas y del catalizador de reducción de óxidos de nitrógeno, detectan la temperatura de los gases de escape, convirtiendo esta temperatura en una señal de tensión eléctrica, y suministra esta señal al calculador de control del motor con el fin de controlar las condiciones de los gases de escape para reducir las emisiones de manera efectiva. Los catalizadores de oxidación y de reducción de óxidos de nitrógenos funcionan a partir de 200 °C, y para la regeneración de los filtros de partículas se necesita aumentar los gases de escape hasta los 550 °C; por este motivo, se hacen necesarias las sondas de temperatura en los gases de escape para saber si se alcanzan dichos valores.
SENSOR DE PRESIÓN DIFERENCIAL
El sensor de presión diferencial mide permanentemente la diferencia de presión entre la entrada y la salida de la unión catalizador/filtro de partículas. Esto permite determinar el estado del filtro (nivel de saturación) y detectar los problemas de suciedad o deterioro del filtro. Un circuito electrónico recibe el desplazamiento de una membrana, so- metida de un lado a la presión de entrada del catalizador y, del otro, a la presión de salida del filtro.
SENSOR DE PRESIÓN EN EL COLECTOR DE ESCAPE
El sensor de presión en el colector de escape permite al calculador de control del motor del vehículo determinar el aporte de recirculación de gases de escape (EGR) en base a este parámetro.