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SONDA LAMBDA DE BANDA ANCHA VEHICULO: SEAT – VW – AUDI – SKODA - OTROS INTRODUCCION: Este articulo es sobre pruebas que se han realizado en dos tipos de sondas lambdas de banda ancha, tipo BOSCH y tipo NTK. Dependiendo del vehículo tratado, incorpora un tipo u otro. Este tipo de sonda lambda, se utiliza en vehículos de gasolina para poder determinar con precisión el funcionamiento del motor con una mezcla muy pobre, con el objetivo de cumplir un nivel de homologación por anticontaminación cada vez mas exigentes.

EL PORQUE DE LA SONDA LAMBDA DE BANDA ANCHA La sonda lambda de banda ancha es utilizada para poder determinar con una cierta precisión mezclas que oscilan entre 11:1 a 22:1, o factores lambda de 0.9 (rica) a 2.2 (pobre). Para el correcto funcionamiento de un sonda lambda de banda ancha, el sistema consta de dos etapas, una de medida y otra generadora de oxígeno. Con un circuito de control se determina el factor lambda resultante de los gases de escape.

SONDA LAMBDA CONVENCIONAL Se puede encontrar dos tipos de sondas lambda convencionales, siendo su principal diferencia el material.  

Sonda lambda de zirconio (ZrO2). Sonda lambda de titanio (O2Ti)

Sonda lambda de zirconio (ZrO2) Este tipo de sonda, genera una tensión entre la cápsula de medida, que corresponde a la generada por la diferencia de oxígeno existente entre el interior del colector de escape y el exterior. Cuando la mezcla es rica (lambda inferior a 1), la tensión generada es máxima (0,9 V).

tensión generada es mínima (0.1 V)

Cuando la mezcla es pobre (lambda superior a 1), la

Señal sonda lambda funcionamiento a ralentí

Señal sonda lambda funcionamiento a 2000 r.p.m.

El ciclo de corrección es mas rápido debido a la respuesta inmediata de la compensación. Al realizar la medida a un régimen acelerado, se observa la velocidad de respuesta de la sonda. En caso de que esta no tenga suficiente velocidad, la frecuencia de la señal sería muy lenta y a su vez los gases de escape muy variable en factor lambda.

Sonda lambda de titanio (O2Ti) Este tipo de sonda están constituidas por un elemento cerámico de bióxido de titanio. La conductividad del bióxido de titanio (O2Ti), está alterada con la presión parcial de la parte de oxígeno presente en los gases de la combustión. Un exceso de oxígeno en los gases de la combustión, mezcla pobre, interactúa con la solución de O2Ti, haciéndola menos conductiva, es decir, más resistiva. En caso de que los gases de escape tenga menos oxígeno, mezcla rica, la solución de O2Ti se hace mas conductor, es decir, menos resistiva. La UEC le aplica una tensión de referencia en el terminal de señal, que reaccionará como un divisor de tensión variable con la composición de la mezcla. La velocidad de respuesta de esta sonda lambda, es muy rápida. Esto no quiere decir que tenga precisión de para mezcla pobre, ya que una vez supera el valor lambda 1, su valor es constante en resistencia alta.

SONDA LAMBDA DE BANDA ANCHA En la actualidad nos podemos encontrar tipo BOSCH y tipo NTK, diferenciándose una de otra en la presencia del amplificador operacional, una integrado en el conector lado sonda lambda y otra integrado en la unidad de motor.

FUNCIONAMIENTO La base de funcionamiento de la sonda lambda de banda ancha, hace que la zona de funcionamiento de la célula de medida trabaje siempre en una zona de lambda 1. Para ello utiliza la célula de oxígeno, que se encarga de hacer variar el oxígeno medido para mantener la condicion anterior. La unidad de control determina el valor lambda en función del trabajo de la célula de oxígeno para mantener el valor lambda 1 en la cámara de medida. Para ver mas claro su funcionamiento, vamos a dividir la sonda lambda en dos etapas, una la CELULA DE MEDIDA y otra la CELULA DE oxígeno.

Célula de medida Esta parte es la encargada de medir el porcentaje de oxígeno que contiene los gases de escape. Ofrece una tensión de 0 a 1 voltios en función del oxígeno. La tensión es mas elevada cuando aumenta la diferencia de oxígeno entre el contenido en los gases de escape y el que hay en el exterior.

Célula de oxígeno Esta etapa es la encargada de modificar la cantidad de oxígeno que tiene los gases de escape en la cámara de medida de la sonda lambda. Para realizar esta modificación de oxígeno, desvía el mismo desde el exterior (aire de referencia) hacia la cámara de medida o a la inversa, en función de una corriente eléctrica que se le hace atravesar a la célula. La intensidad y el sentido de la corriente, determina la cantidad de oxígeno y si se extrae o añade a la cámara de medida. Con esta modificación del porcentaje de oxígeno en la cámara de medida, se consigue modificar también el valor lambda de la misma. Con el circuito electrónico, controla la intensidad de la célula de oxígeno hasta que se obtiene en la cámara de medida un valor lambda 1, evidentemente esto indica que el valor lambda real de los gases de escape puede ser diferente de 1, como se verá justificado mas adelante.

Para determinar exactamente el valor lambda de los gases de escape, la unidad procesa el valor de tensión recibido por la célula de medida (en condiciones normales constante) y el valor de intensidad que le aplica a la célula de oxígeno (en condiciones normales variable).

El funcionamiento en conjunto La sonda lambda de banda ancha, se compone de la unión de la CELULA DE MEDIDA Y LA CELULA DE oxígeno y está controlada por un amplificador operacional que dependiendo del tipo de sonda (marca o modelo), éste se encuentra integrado en el conector o en la unidad de control de motor.

Amplificador incorporado en el conector

Amplificador incorporado en la unidad de control de motor

El funcionamiento que se describe corresponde al sistema que tiene integrado el amplificador operacional en el conector. La CAMARA DE MEDIDA se encuentra alojada entre la CELULA DE oxígeno y la CELULA DE REFERENCIA. Cuando los gases de escape entran en la CAMARA DE MEDIDA, se compara el oxigeno presente en ellos con el del aire exterior, la diferencia entre ellos hace que se genere una corriente en bornes de la CELULA DE MEDIDA. Eléctricamente, la CELULA DE MEDIDA está sobre una tensión de referencia Vref (en borne 5), 2,5 voltios. La diferencia anterior de oxigeno

convertida en voltaje se le suma a esta Vref consiguiendose el voltaje (Vs). El valor de tensión que nos encontramos en Vs es 2,5 + V-lambda, que llega a valer entre 2,5 y 3,5 V si trabajara en los dos extremos. El amplificador operacional, funciona a un voltaje de refrencia Vref (en borne 1) de 3v. Cuando Vs cambia y es mayor o menor de esos 3v, el amplificador operacional actua en el circuito de control. MEZCLA (RICA) Si Vs > Vref (1), la salida del operacional es mas pequeña que Vref(5), haciendo pasar una intensidad por la CELULA DE oxígeno con un sentido de forma que aumenta el % de oxígeno en la cámara de medida. MEZCLA (POBRE) Si Vs < Vref (1), la salida del operacional es mas grande que Vref(5), haciendo pasar una intensidad por la CELULA DE oxígeno con un sentido de forma que disminuye el % de oxígeno en la cámara de medida. Con esta corrección, la mezcla en la CAMARA DE MEDIDA SE va modificando para que su valor lambda sea 1, que es el valor de tensión en el que la CELULA DE MEDIDA ofrece una tensión de 450 mV, valor que se mantendrá constante durante la fase de funcionamiento.

Mezcla con tendencia rica

Al tender el valor lambda por debajo de 1, la mezcla resultante rica, en la cámara de medida se obtiene una tensión que tiene tendencia a subir su tensión de 450 mV. Este efecto hace que el amplificador haga pasar una intensidad en un sentido determinado (como el representado en la imagen) a través de la célula de oxígeno. De esta forma se hace que el circule el oxígeno y se aumente el porcentaje en la cámara de medida, hasta que el valor es igual a 450 mV. A medida que se va aproximando a los 450 mV, el valor de intensidad va disminuyendo.

Mezcla con tendencia pobre Cuando la mezcla tiende a ser pobre, el valor lambda de la cámara de medida, tiende a aumentar, con la consecuente disminución de la tensión de la misma. Cuando ésta disminuye por debajo de los 450 mV, el circuito del amplificador se

encarga de aplicar una intensidad a la célula de oxígeno en sentido opuesto al anterior (según está indicado), para poder disminuir el oxígeno de la cámara de medida y poder obtener un valor lambda 1 nuevamente.

CAMARA

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DE

Por tanto el amplificador ofrece una intensidad de valor y sentido proporcional a la mezcla que tiene como misión compensar el oxígeno en la cámara de medida para que ésta sea lambda 1, es decir, conseguir que la célula de medida ofrezca una tensión constante de 450 mV. En la gráfica se observa que cuando mayor sea la intensidad en sentido positivo, mayor lambda corresponde a los gases (no a la MEDIDA, que será constante).

Vref Pin 1 (3V) (entrada amplificador) Vref Pin 5 (2,5V) (cámara de medida) Vout Pin 6 (Valor proporcional a la intensidad) Vout Pin 2 (Valor directo amplificador) Ih Pin 3 Tensión 12v Ih Pin 4 Señal modulada

Estructura sonda lambda con amplificador en unidad

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V1: Tensión aplicada a la CELULA DE oxígeno. Oscilando +/- 40 mV. Cuando es + la mezcla en pobre y cuando es la mezcla es rica. V2: Tensión de la sonda lambda (CELULA DE MEDIDA). Su valor está comprendido entre 425 y 475 mV. V3: Tensión de la resistencia de compensación. Su valor depende de la construcción de la sonda y le sirve a la unidad para compensar sus tolerancias.

Curva de intensidad La intensidad aplicada a la célula de oxígeno, está relacionada con el valor lambda tal y como indica en la gráfica.

SEÑALES TOMADAS SOBRE SEAT LEON (TIPO MOTOR APG) Conector lado sonda lambda

Conector lado instalación

Las medidas son realizadas en los terminales del conector lado instalación, con el conector conectado.

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Vref Pin 1 (3V) (entrada amplificador) Vref Pin 5 (2,5V) (cámara de medida) Vout Pin 6 (Valor proporcional a la intensidad) Vout Pin 2 (Valor directo amplificador) Ih Pin 3 Tensión 12v Ih Pin 4 Señal modulada

Medidas obtenidas con el osciloscopio. Medida realizada con el motor a ralentí en los terminales indicados: Canal A terminal 6 Canal B terminal 2 Se observa la variación de tensión que produce la sonda a la salida del amplificador. Aunque es poco apreciable, la diferencia entre las dos señales es pequeña. Primeras pruebas de simulación  

Simulando una mezcla RICA con un aumente de presión de gasolina. Simulando una mezcla POBRE con una pequeña toma de aire.

Mezcla pobre

Canal A terminal 6 Canal B terminal 2

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Funcionamiento con el motor a ralentí. Señales solapadas (aunque no se diferencien). El final de la señal indica el momento en que se produce la entrada de aire por la admisión.

Mezcla rica

Canal A terminal 6 Canal B terminal 2   

Funcionamiento con el motor a ralentí. Señales solapadas (aunque no se diferencien). La tensión baja mientras se produce el enriquecimiento.

Prueba a 1500 r.p.m. Se mantiene el motor a un régimen constante.

Canal A terminal 6 Canal B terminal 2

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Se observa que la corrección es constante, aunque el régimen aumente. En este tipo de sonda lambda no aumenta la frecuencia de corrección al aumentar el régimen de motor.

Mezcla rica

Canal A terminal 6 Canal B terminal 2 

Al simular mezcla rica o pobre, se observa una respuesta igual que a ralentí.

Mezcla pobre

Calefacción de la sonda

Canal A terminal 4 Canal B terminal 6 

Se observa la señal cuadrada modulada para la resistencia de calefacción de la sonda.

Comparativa con la tensión de referencia del amplificador

Canal A 

Terminal amarillo lado lambda. 2,5 voltios de referencia.

Canal B terminal 6 

La señal oscila sobre el valor de referencia de 2,5v.

Canal A 

Terminal cable negro lado lambda (3 v de referencia).

Canal B 

Terminal 6. El valor de tensión no supera los 3 voltios en condiciones de trabajo.

Ponemos en marcha

Canal A terminal 6   

Señal en el momento de poner en marcha. Se observa que la tensión en reposo es de 5v, una vez gira el motor la tensión disminuye hasta que empieza a corregir. Inicialmente pasa muy por debajo de los 2,5 v, debido a que la mezcla es rica.

Paramos el motor

Canal A terminal 6 

Cuando se para el motor, en este terminal sube la tensión hasta los 5 v.

Medida de la tensión entre los terminales 6 y 2. Corresponde a la proporción de intensidad que circula por la célula de oxígeno.

Canal A    

Terminal 6 Masa (osciloscopio) Terminal 2. Esta tensión corresponde en bornes de la resistencia, hace referencia a la intensidad que pasa por la célula de oxígeno. El motor funciona a ralentí y se acelera de golpe. El nivel mas bajo es en el momento de acelerar. La curva superior es el momento de soltar el acelerador.

Simulando una mezcla pobre y rica, se observa la respuesta de la intensidad de la célula de oxígeno. Mezcla pobre Canal A

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Terminal 6 Masa (osciloscopio) Terminal 2 Con el motor funcionando a un régimen estable, no se produce casi variación de tensión, ya que la intensidad es pequeña para compensar la variación del valor lambda.

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Observar que al aplicar una pobreza o riqueza se produce una compensación mayor y por tanto se ha de aplicar mas intensidad. Según sea riqueza o pobreza, la tensión será en un sentido o en otro. Observar que el valor de tensión es muy pequeño (40 mV) de corrección.

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Mezcla rica

Al poner en marcha el motor y al parar el mismo, se observa la compensación inmediata de la célula de oxígeno. Puesta en marcha

Parada del motor