La re­duc­ción de los ga­ses de es­ca­pe obli­ga a co­no­cer a fon­do có­mo tra­ba­jar con son­das y sen­so­res.

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 oxí­gen

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Los pro­duc­tos re­sul­tan­tes de una com­bus­tión per­fec­ta son dió­xi­do de car­bono (CO2), va­por de agua (H2O) y ener­gía; ade­más, con­tie­ne un ex­ce­so de oxí­geno (O2) y ni­tró­geno (N2). Des­de el 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 coe­fi­cien­te 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 (ZrO2), re­cu­bier­ta in­ter­na y ex­ter­na­men­te 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 (ZrO2). 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 cá­ma­ras 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 ex­pul­sa 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 (N2) y oxí­geno (O2) en un elec­tro­do es­pe­cial. De­bi­do 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, so­me­ti­da 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.

Son­da lambda de­lan­te­ra Ca­ta­li­za­dor de tres vías Son­da lambda tra­se­ra

Se­ñal de una son­da lambda di­gi­for­me Se­ñal de una son­da lambda pro­por­cio­nal

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