Aquest article pretén presentar un resum amb la funcionalitat dels sensors que s'utilitzen actualment, deixant de banda els més antics.
Nernst Cell
L'element principal dels sensors d'O2 i NOx és la cèl·lula de Nernst, formada per un element d'òxid de zirconi i dos elèctrodes de platí o rodi a les cares. L'òxid de zirconi és una ceràmica la característica de la qual és la conducció d'ions d'oxigen quan s'aplica una tensió a alta temperatura. És a dir, permet el pas d'un corrent elèctric. Aquest és el principi de funcionament de les cèl·lules d'injecció o de bombeig.
Per contra, un corrent elèctric d'ions O2 circula quan hi ha una diferència de concentració d'oxigen entre les cares de l'element de zirconi. Aquest és el principi de funcionament de les cèl·lules de mesura. Les propietats esmentades es manifesten amb la cel·la al voltant de 400ºC.
A causa de l' alta temperatura i l'acció catalítica dels elèctrodes, les molècules d'O2 es dissocien en ions carregats negativament que travessen l'element d'òxid de zirconi, formant de nou molècules d'oxigen lliure al costat oposat.
Cèl·lula de mesura
La figura mostra la configuració bàsica d'una cèl·lula de Nernst de mesura. Es genera una diferència de tensió o potencial en resposta a una diferència de concentració d'O2 dins (cambra de referència) i fora de la cèl·lula de Nernst. Coneixent la densitat de l'O2 en una de les seves cares, és possible mesurar-la a l' altra.
- Les grans diferències entre les concentracions d'O2 a la cambra de referència i als gasos d'escapament donen lloc a una alta conductivitat de l'òxid de zirconi (elevat cabal d'ions O2). En aquest cas, la tensió entre els elèctrodes arriba a valors per sobre de 500 mV. Grans diferències corresponen a gasos d'escapament amb baix contingut d'O2 (per sota del 0,3%), resultat de la combustió d'una mescla rica.
- Les diferències més petites donen lloc a una menor conductivitat i, amb això, a tensions de l'ordre de 100 mV. Les diferències menors corresponen als gasos d'escapament amb un alt contingut d'O2 (superior al 2 %) derivats de la combustió pobre.
: concentracions de l'ordre del 0,3% al 2% fan que la tensió variï entre 100mV i 900mV.
Una concentració propera a l'1% d'O2 produeix un voltatge d'aproximadament 450 mV.
Cèl·lula d'injecció o de bombeig
En aquesta configuració, els ions O2 es mouen, generant un corrent elèctric en resposta a una tensió aplicada entre els elèctrodes. El corrent és proporcional a la tensió aplicada. D'aquesta manera, és possible controlar la densitat de les molècules d'O2 a la cambra de gas mesurada en funció de la tensió aplicada. Per a Vm=450mV, la concentració d'O2 a la cambra de gas mesurada correspon a la resultant de la combustió d'una mescla estequiomètrica.
Sensor d'oxigen de banda estreta
El sensor d'oxigen de banda estreta o la sonda Lambda té la funció de detectar la presència o absència d'oxigen als gasos d'escapament i es pot instal·lar:
1. Abans del catalitzador (sonda lambda prèvia al catalitzador; posició [1]): s'utilitza per controlar la mescla.
2. Després del catalitzador (sonda posterior al catalitzador; posició [2]): S'utilitza per avaluar l'eficiència del catalitzador. Aquest sensor és obligatori als sistemes que compleixen l'estàndard OBD II.
⦁ Sonda lambda de zirconi
És el tipus més estès actualment. Es tracta bàsicament d'una cèl·lula de Nernst formada per un element ceràmic (òxid de zirconi) en forma de "didal". L'element està cobert internament i externament per una capa de platí que serveix d'elèctrode.
La cara interior (elèctrode de referència) està en contacte amb l'atmosfera (21% d'oxigen) i la cara exterior amb els gasos d'escapament.
Funció
Per sobre de 300 0C, l'element ceràmic es transforma en una "pila", la tensió de la qual depèn de la diferència de concentració d'oxigen entre la cara interna i externa de l'element ceràmic.
- Gasos amb una concentració inferior al 0,3% de tensió > 0,8 volts
- Gasos amb una concentració superior al 0,5% de tensió < 0,2 volts
La variació de voltatge és més o menys brusca per a lambda=1.
Amb una temperatura inferior a 300 0C, la sonda es comporta com un circuit obert (resistència infinita).
Tipus
Les sondes de zirconi poden ser de 2 tipus: "escalfades" i "sense calefacció", aquesta última ja no s'utilitza.
- Escalfat: identificats amb l'abreviatura HEGO, disposen d'una resistència PTC interna que provoca l'inici de funcionament independentment de la temperatura dels gasos. Pot ser:
- 3 fils: 2 cables per a l'alimentació de l'escalfador; 1 cable per al senyal; el senyal es retorna a través del xassís.
- 4 fils: 2 cables per a l'alimentació de l'escalfador; els altres 2 pel senyal i el retorn del senyal; aquest últim normalment està aïllat de l'habitatge
A la terminologia estàndard OBD II s'identifiquen amb l'abreviatura HO2S.
Interfície amb la unitat de control – Sensor de zirconi
Quan la sonda està connectada a la unitat de control, i no funciona (fred), es poden produir dues situacions, depenent del circuit d'entrada de la unitat de control:
a) El senyal assumeix un valor de tensió d'aproximadament 0 volts. Aquest va ser el cas del sistema EEC-IV
b) El circuit d'entrada de la unitat de control imposa un valor de tensió d'aproximadament 0,45 volts. Aquest és el cas de tots els sistemes actuals.
Per tant, un valor de tensió constant en el senyal, com els indicats anteriorment i amb un motor calent, és una indicació d'una sonda inoperativa, ja sigui perquè no està escalfada o per defecte.
Sensor d'oxigen de banda ampla
Aquest article analitza el funcionament del sensor de relació aire/combustible. El seu ús és essencial en sistemes de posttractament dièsel (Proconve 7) i en motors de cicle Otto que funcionen amb "combustió magra". Per a una millor comprensió es recomana revisar els conceptes relacionats amb el funcionament de la cèl·lula de Nernst.
A la literatura, el sensor de relació aire/combustible també s'identifica com a sensor d'oxigen de banda ampla o sensor A/F.
Quan s'escalfa correctament, aquest sensor és un generador de tensió que presenta una corba de resposta gairebé lineal per a mescles amb un factor entre 0,75 i 1,5, sense variació sobtada per=1. És a dir, la sortida del senyal és proporcional a l'O2 concentració, encara que no de manera lineal. Per tal d'il·lustrar les diferents respostes, a la figura següent es mostren les corbes característiques del sensor de relació i del sensor d'oxigen (sonda lambda), tenint en compte que el combustible és gasolina, amb una relació ideal aire/combustible de 14,7:1.
- El sensor d'O2 convencional (sonda lambda) té una resposta proporcional, en un rang estret de la relació aire/combustible, de 14,5 a 15,0; això, per a la gasolina pura.
- El sensor de banda ampla té una resposta proporcional, en un rang més ampli de relació aire/combustible (gasolina pura), d'11:1 a 23:1, és a dir, de=0,7 a 1, 7, aprox. Permet un control precís de la mescla amb una resposta més ràpida. Amb això, durant les acceleracions, el sistema continua funcionant en bucle tancat. Recordeu que en sistemes que utilitzen sonda Lambda, durant les acceleracions, el funcionament és en bucle obert.
Dentre les característiques rellevants del sensor de relació, destaquen les següents:
- És indispensable per al control de la relació aire/combustible en motors que treballen amb mescla magra i que treballen en el rang Lambda superior a 1, 3.
- Depenent del rang de relació aire/combustible suportat pel sensor, l'UC és capaç de mantenir un control precís de la mescla tant durant el funcionament normal com en condicions de magra.
Com s'ha comentat, la cèl·lula de Nernst pot funcionar com a sensor no lineal de concentració d'oxigen o es pot utilitzar per activar un flux d'ions, independentment de la concentració d'oxigen. Quan s'utilitza en el sensor de relació aire/combustible, la cèl·lula Nernst té les funcions de "cel·la de mesura" o "element sensor" i de "cel·la d'injecció d'O2" o "element de control" del sensor. A partir de les funcionalitats presentades de les cèl·lules de Nernst, podem concloure:
De la mateixa manera que una diferència de concentració d'O2 entre l'aire ambient i els gasos d'escapament produeix una tensió entre els elèctrodes de la cel·la, una tensió aplicada provoca el transport (injecció) d'ions d'oxigen entre ells, generant un corrent elèctric. La direcció d'aquest corrent depèn de la polaritat de la tensió aplicada.
L'associació d'una cèl·lula d'injecció amb una cèl·lula de mesura constitueix el sensor de relació aire/combustible o el sensor d'O2 de banda ampla de 2 cèl·lules.
Aquests sensors poden ser: amb cambra de difusió aïllada (LAF) o amb cambra de difusió oberta (WEGO-WRAF). A continuació es parlarà de la funcionalitat del sensor amb una cambra de difusió oberta.
Amb cambra de difusió oberta - WEGO - WRAF
La constitució interna és similar a la del sensor LAF. Les diferències són les del sensor WEGO:
- La cèl·lula d'injecció és externa, en contacte amb els gasos d'escapament.
- La cèl·lula de mesura (Nernst) és interna, en contacte amb l'entorn.
- La cambra de difusió està oberta als gasos d'escapament.
Per tant, en aquesta configuració els gasos d'escapament entren a la cambra de difusió a través d'un petit forat. La cèl·lula d'injecció pot retirar-se de la cambra de difusió o injectar-hi oxigen dels gasos d'escapament. Aquest procés depèn de la direcció del corrent Ip. Quan és positiu, l'oxigen es retira de la cambra; quan és negatiu, s'injecta oxigen a la cambra.
Tingueu en compte que la direcció del corrent Ip és sempre la inversa del flux d'ions d'oxigen negatius.
El sensor d'O2 de banda ampla funciona al voltant dels 650 °C. Aquesta alta temperatura afavoreix la mobilitat dels ions i la reacció catalítica (que genera els ions en dissociar les molècules d'oxigen) que té lloc a la superfície de l'elèctrode de platí en contacte amb els gasos d'escapament.
Funció
La figura mostra un esquema de la connexió del sensor a la CU. La direcció i intensitat del corrent Ip està controlada per un circuit intern de la CU que compara constantment la tensió Vm, generada per la cèl·lula de mesura o detecció, amb el valor Vref=0,45V, corresponent a la tensió generada per una cèl·lula de Nernst per a mescla estequiomètrica. És a dir, el circuit de control de corrent Ip funciona per mantenir la condició estequiomètrica dins de la cambra de difusió, independentment de la relació aire/combustible dels gasos d'escapament.
El valor de l'Ip actual depèn de la distància de la mescla mescla de l'estequiomètrica. Com més rica com més pobre sigui la mescla, major serà la intensitat del corrent positiu o negatiu.
L'operació establerta és la següent:
- Amb els gasos d'escapament derivats de la combustió de la mescla rica, la cambra de difusió adquireix un contingut lleugerament ric; com a resultat, augmenta la tensió mesurada per la cèl·lula de mesura. A la CU, la tensió Vm es compara amb Vref i la direcció del corrent Ip és negativa, amb l'objectiu d'injectar O2. L'oxigen requerit (l'escapament ric no conté oxigen) es genera per una reacció electroquímica que té lloc en una capa fina a la superfície de l'elèctrode de platí (costat d'escapament) que dissocia el monòxid de carboni (CO) i l'aigua (H2O), donant lloc a: la combustió de la mescla rica. L'oxigen injectat reacciona amb l'HC i el CO presents a la cambra de difusió i restableix la condició estequiomètrica al seu interior.
- Amb els gasos d'escapament derivats de la combustió magra, la cambra de difusió adquireix un contingut lleugerament magre; com a resultat, la tensió mesurada per la cèl·lula de mesura disminueix. A la UC, la tensió Vm es compara amb Vref i dóna sentit al corrent positiu Ip per eliminar l'oxigen de la cambra de difusió.
- Amb gasos d'escapament derivats de la combustió de la mescla estequiomètrica. En aquesta situació, la tensió Vm és de 0,45 V, de manera que no cal injectar o eliminar oxigen per mantenir la cambra en condicions estequiomètriques. Per tant, Ip=0.
El procés descrit anteriorment és continu. Dins de la cambra, s'injecta o retira oxigen a mesura que es renoven els gasos d'escapament a l'interior.
Al connector de 6 terminals del sensor hi ha una resistència de calibratge (Rcal) que s'utilitza per compensar les toleràncies de fabricació. El seu valor s'ajusta individualment per a cada sensor.
Control de l'escalfador
La temperatura de funcionament és un factor important per a la funció i la precisió del sensor. Es manté, per la UC, al voltant dels 650ºC, mitjançant un senyal de cicle de treball variable amb una freqüència de 30 Hz.
El mecanisme de control es basa en el fet que la resistència interna de la cèl·lula de mesura és inversament proporcional a la temperatura a la qual està sotmesa. La CU controla constantment aquesta resistència, el valor de la qual s'utilitza per modificar el cicle de treball del senyal PWM. Per tant, un augment del valor de la resistència és una indicació d'una disminució de la temperatura. Com a resultat, el cicle de treball del senyal augmenta i, com a resultat, augmenta la tensió mitjana aplicada a l'escalfador, la qual cosa fa que la temperatura torni al valor de funcionament nominal.
