¿Cómo funcionan los sensores de oxígeno?

En este artículo técnico, febi bilstein explica cuál es el funcionamiento de los sensores de oxígeno de las sondas lambda.

Figura 1

Los sensores de oxígeno de banda ancha de 5 cables se utilizan en muchos sistemas de control de motores, incluidos los motores diésel y de inyección directa. Están diseñados para medir los niveles de oxígeno en los gases de escape, para controlar la relación de combustible-aire entre 8: 1 y el aire exterior.

La principal ventaja de este tipo de sensor es que permite que la unidad de control del motor determine cuán rica o pobre es la mezcla, a ambos lados de lambda 1.

El sensor utiliza la misma tecnología que la mayoría de los sensores de banda estrecha. Se basa en la propiedad del dióxido de circonio (ZiO2) para convertirse en un electrolito sólido a altas temperaturas.

En un sensor convencional de banda estrecha, el platino actúa como catalizador que divide las moléculas de oxígeno (O2) en dos átomos de oxígeno. Cada átomo atrae dos electrones para convertirse en iones con carga negativa. La diferencia entre el contenido de oxígeno en el gas de escape de un motor de encendido por chispa y el aire produce una diferencia de potencial (PD) que hace que los iones de oxígeno migren a través del ZiO2. El dispositivo se llama célula Nernst y está diseñado para que en lambda 1 (14.7: 1), la diferencia de potencial sea de 450 mV. Una mezcla rica aumenta la PD y las mezclas débiles harán que se reduzca. (Figura 1)

¿Qué hay dentro?

El sensor está formado por dos celdas Nernst. Una celda mide la diferencia en los niveles de oxígeno entre la celda de referencia de aire y la cámara de muestra, la otra actúa como una bomba para bombear oxígeno dentro o fuera de la cámara de muestra. Al aplicar un voltaje a la celda Nernst, se puede bombear oxígeno a través del dispositivo. La inversión de la polaridad cambiará la dirección del flujo de corriente y, por lo tanto, el flujo de oxígeno.

La estrategia del circuito de control es mantener el primer voltaje de celda a 450mV. Esto significa que el contenido de oxígeno en la cámara de muestra representa el de una relación estequiométrica (lambda1). Esto se realiza independientemente del contenido de oxígeno en el escape.

Operación

En Lambda1, el contenido de oxígeno en la cámara de muestra hará que la célula Nernst negra-amarilla produzca 450mV. El voltaje empujará contra los 3V provistos en la celda de referencia de aire para producir un voltaje de 2.55V en el cable amarillo. Esto está equilibrado por el circuito de control de la bomba. Los dos voltajes son entradas al amplificador operacional A (un amplificador operacional genera la diferencia de voltajes de las dos entradas). El amplificador operacional A emite 450mV. El amplificador operacional B tiene una entrada de 450mV desde un suministro regulado, y 450mV desde el amplificador operacional A. La salida del amplificador operacional B es 0V. Esta condición se llama estasis.

Si el nivel de oxígeno aumenta en el escape (mezcla débil), el nivel de oxígeno en la cámara de muestra también aumentará.

Esto se debe a que las moléculas de oxígeno migran hacia la cámara de muestra a través del orificio de difusión (igualdad de presiones parciales). Esto hará que el voltaje generado por el Nernst negroamarillo caiga, efectivamente el voltaje empuja menos fuerte contra los 3V, por lo que el voltaje en el cable amarillo comenzará a aumentar. Las entradas al amplificador operacional A disminuyen en la diferencia, por lo que la salida del amplificador operacional A cae. Esto significa que la salida del amplificador operacional B se elevará por encima de 0V. Esto activa el controlador PID para aumentar su voltaje de salida. Ahora fluirá una corriente en el Nernst rojo-amarillo. El flujo de corriente convencional será de rojo a amarillo, pero el flujo de electrones real estará en la dirección opuesta que bombea los átomos de oxígeno a través del ZiO2 fuera de la cámara de muestra, para devolver el nivel de oxígeno al de estasis.

El flujo de corriente es relativo al contenido de oxígeno. Cuanto más débil es la mezcla, mayor es el contenido de oxígeno, mayor es el voltaje en el cable rojo y mayor es el flujo de corriente en la celda Nernst roja-amarilla. La corriente en el circuito de la bomba se mide usando una resistencia de derivación y un amplificador operacional. Se instala una resistencia de compensación en el sensor para calibrar el sensor para las tolerancias de fabricación.

Si la mezcla se enriquece, el nivel de oxígeno en la cámara de muestra comenzará a caer. El voltaje de la celda negra y amarilla Nernst aumentará empujando más fuerte contra los 3V. Esto hace que aumente la diferencia de voltaje en el Nernst; en consecuencia, el amplificador operacional A genera un voltaje negativo. El controlador PID reacciona reduciendo su voltaje de salida a un valor inferior al del cable amarillo, haciendo que la corriente fluya de amarillo a rojo. El flujo de electrones está en la dirección opuesta y, como consecuencia, se bombea oxígeno a la cámara de muestra para devolverlo al de estasis.

Normalmente no hay oxígeno en el gas de escape de una mezcla enriquecida, por lo que el oxígeno se libera del monóxido de carbono y el dióxido de carbono.

El circuito del calentador

El sensor debe mantener una temperatura constante de alrededor de 760°C; Esto se logra mediante el circuito del calentador. La temperatura es importante porque la resistencia del dispositivo cambia con la temperatura. El calentador se alimenta con voltaje de batería y el ECM conmuta la tierra mediante PWM. La temperatura se controla mediante un pulso en el circuito Nernst.

El flujo de corriente del pulso se mide como una caída de voltaje, a través de una resistencia y un simple cálculo de la ley de ohm dará la resistencia de la celda y, por lo tanto, la temperatura. El PWM del circuito del calentador se ajusta en consecuencia para mantener una temperatura estable.

Un sensor defectuoso puede provocar una variedad de problemas, lo que deriva en un mayor consumo de combustible y emisiones de vehículos.

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