Sensor de oxigeno o sonda LambdaEl motor por si solo no puede controlar los porcentajes de aire y combustible que entran en la cmara de combustin, no lo pudo hacer en el pasado con el uso de carburadores, ni tampoco con sistemas de inyeccin electrnicos de "lazo abierto". Para poder controlar la mezcla es necesario de un elemento sensor, que indique, el porcentaje de aire y combustible que entra en el motor. A este dispositivo se le llama sensor de oxigeno o sonda Lambda. Este sensor situado a la salida del colector de escape del motor, analiza los gases de escape, y enva informacin constantemente a la gestin electrnica del motor que adecua la mezcla en funcin de las circunstancias de funcionamiento del vehculo.La combustin requiere que el aire y el combustible se hallen mezclados en una proporcin determinada, esta proporcin entre el aire y el combustible es lo que se llama "relacin estequiomtrica". En un motor de gasolina la relacin ideal es de 14,7:1, es decir son necesarios 14,7 gramos de aire por cada gramo de combustible para realizar una combustin perfecta. En la prctica esta proporcin vara ligeramente, pudiendo alcanzar valores de 12 a 16, que seran los lmites de funcionamiento de la combustin en el motor..Con 12 gramos de aire por gramo de gasolina la mezcla que se obtiene es excesivamente "rica" en gasolina mientras que con una relacin de 16, el motor no arrancara por escasez ("pobre") de gasolina.Mezcla pobreResulta del exceso de aire en la mezcla. En estas condiciones en el motor se incrementa la temperatura de la combustin, facilitando la aparicin de xidos de nitrgeno (Nox), ademas si la mezcla es muy pobre, el combustible no llega a inflamarse y el motor se para.Mezcla ricaSe produce debido al exceso de combustible en la mezcla con respecto al aire que entra en la cmara del combustin del motor. En este caso el exceso de combustible no se puede combinar completamente con el aire, por lo tanto una parte del combustible es expulsado por el escape en forma de holln y CO (monxido de carbono).En automocin se habla de factor lambda o relacin "lambda" cuando quiere definirse la relacin entre la cantidad de aire necesaria para producir una combustin completa, en relacin estequiomtrica y la cantidad de aire real que aspira el motor.Durante el funcionamiento del motor el factor lambda debe variar dentro de unos limites mximo y mnimo establecidos ya que el motor no puede estar alimentado constantemente con una mezcla en relacin estequiomtrica terica, (esto es lambda = 1), puesto que en estas condiciones el motor no proporcionara ni su potencia mxima ni el mximo rendimiento trmico.En definitiva, el factor "lambda" da una idea muy precisa de la riqueza o pobreza de una mezcla, as se dice que :Con una relacin "lambda = 1", se obtiene una combustin perfecta porque el aire aspirado coincide con el terico (el aire aspirado es el 100 % del terico necesario).Con una relacin "lambda < 1", por ejemplo 0,8 indica escasez de aire por lo que la mezcla resulta rica de combustible (el aire aspirado es solo el 80 % del necesario).Con una relacin "lambda > 1", por ejemplo 1,20 indica exceso de aire, por consiguiente una mezcla pobre (el aire aspirado es un 120 % del terico, es decir un 20 % mas del necesario).Como se puede ver en la grfica inferior la potencia mxima en un motor otto se obtiene con una mezcla ligeramente rica, mientras que el consumo mnimo se consigue con una mezcla ligeramente pobre.Proporcin de la mezcla y sus efectos en la emisin de gases contaminantesLa relacin aire/combustible (factor lambda) tiene una influencia decisiva sobre Ia emisin de los gases contaminantes, como son el monxido de carbono (CO) y el anhdrido carbnico (CO2).MONXIDO DE CARBONO (CO)La emisin de monxido de carbono (CO) aumenta con las mezclas ricas, o sea para mezclas con un factor "lambda < 1". El oxgeno existente no es suficiente para completar la combustin, por lo cual el contenido de CO en los gases de escape es elevado. Por el contrario el monxido de carbono (CO) disminuye con las mezclas pobres, o sea para mezclas con un factor "lambda > 1". El oxgeno presente es abundante y la combustin tiende a completarse, por lo cual el contenido de CO en los gases de escape alcanza valores mnimos.DIXIDO DE CARBONO (CO2)La concentracin de C02 alcanza el valor mximo para coeficientes "lambda" cercanos a 1. El valor de C02 puede dar una idea de la "calidad" de la combustin, obsrvese que el pico de valor mximo corresponde prcticamente con una mezcla con un factor "lambda" ligeramente superior a 1,00.Conviene recordar que hasta no hace mucho tiempo, los fabricantes de automviles, hacan trabajar los motores con mezclas ricas, necesarias entre otras cosas para poder obtener potencias especficas elevadas. En la actualidad, para conseguir una reduccin de los consumos, la tendencia es a trabajar en el campo de las mezclas pobres.HIDROCARBUROS (HC)La concentracin de hidrocarburos sin quemar se reduce a valores mnimos para relaciones aire-gasolina ligeramente superiores a la estequiomtrica, es decir, para mezclas clasificadas como pobres (lambda = 1,2). Con mezclas ricas es imposible quemar por completo los hidrocarburos por falta de oxgeno. Por el contrario, con mezclas muy pobres (lambda > 1,2) se pueden tener retrasos en la combustin, dificultad de propagacin de la llama o fallos de encendido al haberse superado los lmites de inflamabilidad. En este caso la combustin resulta incompleta y se comprueba un aumento significativo de los HC emitidos en el escape.XIDOS DE NITRGENO (NOx)La dosificacin de la mezcla influye tambin en la emisin de xidos de nitrgeno (NOx).Una mezcla pobre contiene una cantidad mayor de oxgeno que facilita la formacin de NOx. Para valores "lambda = 1,1" (relacin aire/gasolina de 16:1) ligeramente superior a la relacin estequiomtrica (lambda = 1,0) se obtiene la concentracin mxima de NOx. Si aumenta an ms la dosificacin, disminuye la temperatura de combustin y por consiguiente se reduce la cantidad de xidos de nitrgeno aunque exista exceso de oxgeno.La cuestin que se plantea ahora, una vez de analizados los datos expuestos mas arriba sobre la formacin de los gases de escape, consiste en la imposibilidad de limitar al mismo tiempo los tres gases contaminantes principales : CO, HC y NOx , actuando nicamente sobre la dosificacin de la mezcla. En efecto, en la zona de utilizacin del motor (lambda = 0,8 a 1,1), ocurre que a los valores mnimos de la emisiones de CO y HC corresponde el valor mximo de NOx.Para conseguir al mismo tiempo una reduccin drstica de CO y de NOx y obtener un buen comportamiento de los HC, sera preciso garantizar una combustin completa con un factor lambda superior a 1,05.Existe no obstante una zona llamada "ventana lambda" (puede verse en la grfica inferior) donde la proporcin de gases es mnima y si puede conseguirse que el motor trabaje en esta zona, se garantizar una reduccin de los gases contaminantes.Esta condicin impone en la prctica buscar soluciones tcnicas que garanticen el funcionamiento correcto en todas las condiciones de servicio del motor. Y la solucin ha venido de diversas fuentes: la implementacin de sistemas de inyeccin de gasolina con mando electrnico, la regulacin de la mezcla para que trabaje cercana a la "ventana lambda" y el uso del catalizador. De este modo se ha conseguido reducir la emisin de gases contaminantes mediante la optimizacin de la combustin y la depuracin posterior de los gases.La ilustracin inferior muestra las grficas de los distintos gases de escape despus de atravesar el catalizador. Obsrvese como en la zona marcada como "ventana lambda" es donde coinciden los tres gases en la mnima concentracin.Localizacin de la sonda lambda en el motorLa sonda lambda esta dispuesta en el sistema de escape delante del catalizador. La seal de la sonda es conducida a la unidad de control del motor. Se pueden emplear sondas lambda de dos puntos (como las estudiadas hasta ahora) o sondas lambda de banda ancha (regulacin lambda permanente). Detrs del catalizador puede encontrarse otra sonda lambda (regulacin con dos sondas). Esta sonda es siempre una sonda de dos puntos.FuncionamientoMediante el circuito de regulacin formado con ayuda de una o dos sondas lambda pueden identificarse y corregirse desviaciones de una relacin de aire y combustible determinada. El principio de regulacin se basa en la medicin del contenido de oxgeno residual en los gases de escape. El contenido de oxgeno residual es una medida para la composicin de la mezcla de aire y combustible aportada al motor.Regulacin de dos puntosLa sonda lambda de dos puntos dispuesta delante del catalizador suministra en el margen rico {lambda.< 1) una tensin alta y en el margen pobre (lambda > 1), una tensin baja (U < 1). En el margen alrededor de "lambda = 1" se produce un pronunciado salto de tensin. La sonda lambda de dos puntos slo puede distinguir, pues, entre mezcla rica y mezcla pobre.La tensin de sonda se transforma en la unidad de control del motor en una seal de dos puntos. Es la magnitud de entrada para la regulacin lambda puesta en efecto con ayuda del software. La regulacin lambda acta en la formacin de la mezcla y ajusta la relacin de aire y combustible adaptando el caudal de combustible inyectado. La magnitud de ajuste, compuesta de un salto y una rampa, varia su direccin de ajuste con cada salto de tensin de la sonda. Es decir, por el salto de la magnitud de ajuste varia la composicin de la mezcla primero "de golpe" y a continuacin en forma de rampa. Si la tensin de la sonda es alta (mezcla rica), la magnitud de ajuste regula en direccin hacia mezcla pobre; si la tensin de la sonda es baja (mezcla pobre), en direccin hacia mezcla rica. Con esta regulacin de dos puntos se puede regular la mezcla de aire v combustible a valores lambda alrededor de "lambda = 1".La tpica "medicin errnea" de la sonda lambda, condicionada por la variacin de la composicin de los gases de escape, se puede compensar de modo controlado conformando la evolucin de la magnitud de ajuste selectivamente de modo asimtrico (desplazamiento haca mezcla rica/mezcla pobre).Regulacin lambda constante La sonda lambda de banda ancha suministra una seal de tensin constante. De este modo se puede medir no slo el margen lambda (mezcla rica o pobre), sino tambin las desviaciones de "lambda = 1". La regulacin lambda puede reaccionar as ms rpidamente a una divergencia de la mezcla. De ello resulta un mejor comportamiento de regulacin, de elevada dinmica.Como sea que con la sonda lambda de banda ancha de "lambda = 1" se pueden medir composiciones de la mezcla divergentes, tambin es posible (al contrario de la regulacin de dos puntos] regular tales composiciones. El alcance de regulacin comprende valores lambda dentro del margen de "lambda = 0,7...3,0". La regulacin lambda constante por tanto es apropiada para el funcionamiento con mezclas pobres o ricas de motores de inyeccin directa de gasolina.Regulacin con dos sondasLa regulacin lambda con la sonda antes del catalizador tiene una precisin limitada, ya que la sonda est expuesta a notables influencias medioambientales. La exposicin de una sonda lambda detrs del catalizador a estas influencias es considerablemente menor. Por esta razn ademas de la sonda antes el catalizador se ha implantado una segunda sonda lambda (calefactada) en el sistema de escape despus del catalizador. Sirve para comprobar el funcionamiento del catalizador. Adicionalmente se lleva a cabo una autoadaptacin de la sonda antes el catalizador.El posicionamiento de las sondas lambda en el sistema de escape posee una gran importancia para la regulacin de los gases de escape. Las sondas estn expuestas a altos niveles de suciedad en los gases de escape. Despus del catalizador, la sonda resulta menos expuesta a suciedad. Sin embargo, debido a los largos recorridos de los gases de escape, sera demasiado lenta la reaccin de la regulacin lambda si se instalara una sola sonda despus del catalizador.Regulacin lambda en la inyeccin directa de gasolinaEl catalizador acumulador de NOx, presenta una doble funcin. Adems de la acumulacin de NOx, y de la oxidacin de HC y CO durante el funcionamiento con mezcla pobre, para el funcionamiento con "lambda = 1" es necesaria una funcin estable de tres vas, que requiere un mnimo de capacidad de acumulacin de oxgeno. La sonda lambda delante del catalizador vigila la composicin estequiomtrica de la mezcla.Adems de su aportacin a la regulacin con dos sondas, la sonda de dos puntos detrs del catalizador acumulador de NOx con el sensor de NOx integrado sirve para la vigilancia del comportamiento combinado de acumulacin de O2 y NOx (identificacin del fin de la fase de desacumulacin de NOx). En la figura inferior tenemos una linea de escape de un motor de inyeccin directa de gasolina FSi. El sistema de escape est ejecutado en versin de 2 caudales en la zona delantera, para producir un aumento de par a regmenes bajos. Cada uno de los dos ramales de escape posee un precatalizador propio. Los precatalizadores van unidos de forma inseparable con el colector de escape que les corresponde.Dos sondas de banda ancha ejercen funciones de sondas precatalizador y vigilan la composicin de la mezcla. Detrs de los precatalizadores hay dos sondas de dos puntos. Vigilan el efecto de los precatalizadores.Despus de ello los dos ramales de escape confluyen en el catalizador-acumulador de NOx. El catalizador-acumulador retiene interinamente los xidos ntricos (NOx) durante el funcionamiento del motor en el modo de mezcla pobre, durante lo cual el sensor NOx vigila el grado de saturacin y da origen al ciclo de regeneracin del catalizador-acumulador..