Sensor Sonda Lambda Lsu

SENSOR SONDA LAMBDA UNIVERSAL IES Mateo Alemán 2009

Miguel Antonio Centeno Sánchez 1



1. DENOMINACIÓN DEL SENSOR: SONDA LAMBDA UNIVERSAL, LSU

2. FUNCIÓN:

D etermina la concentración de oxígeno libre en la salida de los gases de escape de los motores de ciclo Otto, parámetro que se corres-

ponde directamente con la relación aire-gasolina que se introduce en la cámara de combustión. En los motores Diesel controla la EGR.

3. UBICACIÓN EN EL VEHÍCULO:

L a sonda lambda universal o de banda ancha va situada en el primer tramo del tubo de escape, incluso antes del precatalizador, en el caso

de que el vehículo fuera equipado con éste. Su ubicación hace que desde las primeras emboladas, de la puesta en marcha en frío, la sonda adquie-ra lo antes posible la temperatura de funcionamiento, unos 350º C, y con ello el comienzo de la regulación.

ÁREA: tracción PRINCIPIO DE FUN-CIONAMIENTO:

célula galvánica y elec-trolito sólido

MAGNITUD: contenido de oxígeno

FUNCIÓN: regulación de la mezcla aire y combustible

SEÑAL: analógica CONEXIONADO AL CIRCUITO:

positivo y negativo de UCE

sonda lambda LSU



4. DESCRIPCIÓN:

E l cuerpo exterior de la sonda no se diferencia mucho del anterior mo-delo de sonda lambda conocido, la sonda lambda “a saltos” modelos

LSH y LSF. Diferenciamos varias partes como son: 1. la zona expuesta a los gases de escape, provista de un tubo protector de acero, en el que hay practicadas una serie de orificios o ranuras por los que los gases en-tran a la zona del sensor, evitando que se erosione éste; 2. el cuerpo roscado con su junta, que sirve como cuerpo de la sonda y la fija al tubo o colector de escape; 3. casquillo de protección exterior, que envuelve parte del sensor y los terminales de conexión a los cables; 4. cierre de

estanqueidad con el tubo flexible que termina en los cables de conexión, donde se observa que el número de los terminales, 5 en to-tal, así como su color, rojo-amarillo-negro-blanco-gris de Bosch y azul-amarillo-blanco-gris-negro de NTK, que son diferentes a las anteriores sondas lambda (LSF), donde el número de cables es de 4 siendo ne-

gro-gris-blanco-blanco; 5. y por último su conector macho, de mayor ta-maño donde se observa que le llegan 5 cables y tiene 6 terminales , dado que en su interior lleva alojada una resistencia de calibración de la sonda, R.

Internamente, la sonda lambda de banda ancha, al igual que la sonda lambda de banda estrecha, LSF, alberga el elemento de medición, compuesto principalmente por unos electrodos de platino, un cuer-po de cerámica de dióxido de zirconio, una resistencia calefactora y una capa de material poroso de protección, todo ello está dispuesto en estructura planar, es decir, mediante capas finas su-perpuestas en forma de láminas.

1 2 3 4

5

R



P ara definir con detalle el conjunto utilizamos la siguiente figura, sec-ción de la sonda LSU. Como se puede observar, la disposición de las

capas configura la sonda en su conjunto, desde la capa exterior, capa porosa de protección, que protege a uno de los electrodos de platino, que está en contacto directo con los gases de escape; le sigue lo que po-demos definir como el electrolito sólido, la primera capa de dióxido de zirconio, que por su capa interior soporta otro de los electrodos de plati-no y que junto con la siguiente capa, la segunda del mismo material, crean una cámara de medición denominada célula de bombeo; le sigue otra capa, la tercera, de dióxido de zirconio, en la que se encuentra una

cámara de aire de referencia con su correspondiente electrodo de platino, formando una célula de concentración de Nernst; la última capa soporta el elemento calefactor de la sonda, necesario para mantener la tempera-tura mínima de funcionamiento, a partir de la cual el electrolito sólido se vuelve conductor de los iones de oxígeno. Como veremos más adelante, cuando se describa el funcionamiento de la sonda, la LSU consta de dos elementos, una cámara donde mide la concentración de oxígeno en los gases de escape con la posibilidad de poder variar esa concentración me-diante una célula de bombeo y de una cámara que mide la diferencia en la concentración de oxígeno de los gases de escape respecto a la del aire.



5. FUNCIONAMIENTO:

A diferencia de la sonda de banda estrecha, el parámetro utilizado pa-ra determinar la relación aire-gasolina no es una tensión, sino que

en este caso se utiliza una intensidad, la que necesita la célula de bombeo para conseguir una concentración de oxígeno en la cámara de medición acorde con la concentración de oxígeno de la cámara de aire de referencia para que la tensión diferencial en la célula Nernst sea de 450 mv equivalente a un valor de mezcla estequiométrica, λ = 1. Así pues, disponemos de una célula de bombeo de oxígeno, que está forma-da por dos electrodos de platino separados por el electrolito sólido, ZrO2,

uno de los electrodos en contacto con los gases de escape, el otro elec-trodo ubicado en una cámara de medición, a la que también accede los gases de escape a través de un orificio y atravesando una barrera poro-sa. ¿Y entonces qué? Estableciendo una corriente eléctrica entre los dos electrodos de la célula de bombeo, desplazamos los iones de oxígeno, a través del electrolito sólido, de un electrodo a otro, dependiendo del sen-tido de la corriente que se establece, con ello se varía la concentración de O2 en la cámara; así, cuando la mezcla es pobre y por lo tanto la con-centración de oxígeno es alta, se establece una corriente entre los elec-trodos “positiva”, bombeando iones de oxígeno desde el interior de la cámara hacia el exterior hasta reducir la concentración.



S i la mezcla es rica, se bombea iones de oxígeno desde el electrodo exterior hacia el interior de la cámara, para ello la corriente eléctrica

establecida será “negativa” respecto a la anterior. La pregunta que se nos viene a la cabeza es ¿durante cuanto tiempo se mantiene la corriente eléctrica en un determinado sentido? y ¿como se determina si la mezcla es rica o pobre si en los dos electrodos tenemos la misma concentración de gases de escape de partida? La respuesta nos dice que debe existir un elemento en la sonda LSU que nos sirva de referencia para determinar

con exactitud cuando la mezcla no es estequiométrica, ese elemento es la célula Nernst; compuesta de un electrodo de platino situado en el in-terior de la cámara de medición y otro electrodo de platino situado en el interior de una cámara de aire de referencia, por medio tenemos el mismo electrolito sólido formado por ZrO2. El funcionamiento de la célula es similar al de una sonda lambda de banda estrecha, mide la tensión di-ferencial que se establece entre sus dos electrodos, la medida dependerá de la concentración de oxígeno de los gases de escape de la cámara de medición, ya que, la concentración de oxígeno en la cámara de referencia es constante al tratarse de aire puro. Así, cuando la mezcla es estequio-métrica, λ = 1, la concentración de oxígeno en la cámara de medición hace que la tensión medida por la célula Nernst sea de unos 450 mv; si la concentración de oxígeno varía, por ejemplo para una mezcla pobre, en la cámara de medición hay más oxígeno que para una mezcla este-quiométrica dando como resultado que en la célula Nernst se genera una tensión inferior a 450 mv.



E l valor de la tensión generada es enviada a la UCE, que establece una secuencia para corregir el desvío de riqueza de la mezcla, así

manda alimentar con una corriente positiva a la célula de bombeo con el propósito de reducir la concentración de oxígeno de los gases de escape situados en la cámara de medición, sacando a través del electrolito sólido iones de oxígeno desde el electrodo interior de la cámara de medición al electrodo exterior, la intensidad de la corriente sirve a la UCE para deter-minar el factor de corrección. La corriente positiva cesará a medida que la célula de Nernst genere una tensión próxima a los 450 mv de referen-cia. En el caso de que la mezcla sea rica, el escaso nivel de oxígeno que

hay en los gases de escape, incluidos los de la cámara de medición, hace que la célula de Nernst genere una tensión superior a los 450 mv, lo que activa a la UCE a enviar una corriente a la célula de bombeo, para aumentar la concentración de oxígeno en la cámara de medición, envian-do iones de oxígeno del electrodo exterior al interior de la cámara hasta que la tensión generada vuelve a los valores de referencia.

Como consecuencia del funcionamiento nos apare-ce la siguiente gráfica, que relaciona los estados de λ con la corriente estableci-da en la célula bomba.

mezcla pobre

mez

cla

rica



5.1. AUSENCIA DE LA SEÑAL DE LA SONDA LAMBDA.

C uando la señal del sensor no es plausible o no existe, por estar da-ñado el sensor o la instalación eléctrica, la estrategia seguida por la

UCE es desactivar el sistema de regulación de lambda y el control sobre el catalizador. Se enciende el testigo de averías, MIL, en el cuadro de ins-trumentos.

5.2. SEÑALES DEL SENSOR OBTENIDAS CON OSCILOSCOPIO.

C onectaremos el osciloscopio entre los bornes 52 y 51 de la UCE para la tensión de bombeo y entre los bornes 70 y 51 de la UCE para la

tensión de Nernst.

sonda lambda LSU,

TENSIÓN DE NERNST y TENSIÓN DE BOMBEO

sonda lambda LSU,

TENSIÓN DE NERNST y TENSIÓN DE BOMBEO,

mezcla RICA

sonda lambda LSU,

TENSIÓN DE NERNST y TENSIÓN DE BOMBEO,

MEZCLA pobre



6. FINALIDAD DE LA PRÁCTICA:

D eterminar y comprender el correcto funcionamiento de la sonda lambda de banda ancha, LSU, utilizando los siguientes materiales:

• Vehículo equipado con sonda lambda de banda ancha.

• Escáner de diagnosis universal.

• Caja de bornes de la UCE.

• Multímetro digital, dos unidades.

• Elevador.

6.1. IDENTIFICACIÓN DE LA SONDA LAMBDA

Primeramente procedemos a localizar la sonda y su conector, observando

el color de los cables, para indicar si se trata de un modelo de Bosch o de NTK. Comprobar sobre el conector de la sonda la correspondencia de la numeración de los bornes y localiza la situación y borne de la Rcal, resis-tencia de calibración.



6.2. LOCALIZAR LA SONDA LSU Y LSF SOBRE ESQUEMA ELÉCTRICO.

Sobre el esquema eléctrico de la gestión electrónica del motor, localiza el dibujo que representa la sonda LSU y la LSF, los bornes de conexión con la UCE, el color de los cables y conectores. Observa las diferencias entre ambas sondas lambda.

Completa el siguiente cuadro, correspondiente a la numeración de los terminales de la sonda LSU y de la UCE, así como el color de los cables y conectores:

color cable nº terminal color cable nº terminal

UCE

CÉLULA DE NERNST

CÉLULA DE BOMBEO

ELEMENTO DE CALDEO

CO

NE

CT

OR

figura e1



6.3. MEDIDAS DE TENSIÓN.

Conectamos la caja de bornes entre la UCE y su conector, antes de hacerlo asegurarnos de haber desconectado la llave de contacto. Con el multímetro digital en la escala de voltios, pasamos a realizar una serie de medidas para comprobar el buen funcionamiento de la sonda, antes iden-tificaremos los bornes del conector la sonda LSU, correspondientes a la célula de bombeo y a la de Nernst, así como los del elemento de caldeo. Ponemos el motor en marcha a temperatura de servicio y realizamos las siguientes tomas de datos:

• Tensión en la célula Nernst, bornes 70 y 51 = 450 mv

• Tensión de la célula de bombeo, bornes 52 y 51 = 1,7 v a 2,9 v

entre 1,7 v a 2,5 v mezcla RICA, entre 2,5 v a 2,9 v mezcla POBRE

• Tensión de alimentación resistencia de caldeo, bornes 5 y + bat

6.4. MEDIDAS DE INTENSIDAD.

Continuando con la anterior prueba, intercalamos un amperímetro en el circuito correspondiente a la célula de bombeo, el valor medido nos indi-cará el modo de funcionamiento de la bomba de iones de oxígeno y la di-rección del flujo de esos iones, según sea el signo de la corriente. Ade-más comprobaremos la relación que existe entre la tensión generada en la célula Nernst y la corriente suministrada a la bomba de iones de oxíge-no. Completamos la siguiente tabla:

estados de carga del motor

tensión en la célu-la Nernst

intensidad por la célula de bombeo

tensión aplicada a la célula de bombeo

ralentí

media carga

plena carga

fuerte aceleración

desaceleración

valor de

λ



6.5. MEDIDAS DE RESISTENCIA.

Vamos a comprobar el valor de la resistencia de calibración, Rcal, que es-tá situada dentro del conector, correspondiente a la sonda lambda LSU, su valor se encuentra entre los 30 a 300 KΩ y está calibrada con láser. Cada sonda tiene emparejada una resistencia de calibración, para com-pensar el tamaño del orificio de acceso a la cámara de medición, así co-mo la superficie de está última.

Desconectamos el conector de la sonda, identificamos la zona donde lleva incorporada la Rcal y sus terminales, y procedemos a medir:

Rcal = ……………..

7. DIAGNOSIS DE LA SONDA CON EL ESCANER UNIVERSAL.

La entrada en vigor de la norma Europea EOBD, Euro On Board Diagno-sis, traducido como sistema europeo de diagnosis embarcado, con im-plantación para nuevos modelos en el año 2000, establece un control más duro sobre los sistemas encargados en vigilar y controlar los niveles de gases contaminantes emitidos a la atmósfera, de tal forma que apare-ce un protocolo que se encarga de vigilar que los sistemas encargados de limitar o corregir la emisión de contaminantes funcionen correctamente, dicho protocolo se lleva a cabo de forma continua durante el funciona-miento del motor. Cuando un sistema no funciona correctamente, el pro-tocolo del EOBD avisa al conductor a través de un testigo, en el cuadro de instrumentos, denominado MIL, Luz Indicadora de un Mal funciona-miento. Todo ello queda registrado en una memoria de averías junto con el protocolo de vigilancia, denominado “código de conformidad”, de 8 dí-gitos, correspondientes a los estados de servicio de los sistemas anticon-taminantes. La implantación del EOBD, conlleva también la utilización de un conector de 16 vías estándar, mediante el cual un escáner universal pueda dialogar con la UCE del motor y verificar entre otras cosas, la me-moria de averías de los sistemas anticontaminantes, comprobar el código de conformidad y llevarlo a cabo, obtener parámetros en tiempo real, etc. Observamos el código de conformidad y los valores que necesitamos para verificar el estado de la sonda lambda, de tal manera que la propia UCE realiza una diagnosis completa de la misma.



Verificamos el código de conformidad o disponibilidad.

El código de conformidad representa el estado de ejecución de los dia-gnósticos en los siguientes sistemas, por el orden indicado:

1. Catalizador

2. Calefacción de catalizador

3. Sistema de desaireación del depósito

4. Sistema de aire secundario

5. Climatizador

6. Sondas lambda

7. Calefacción de sondas lambda

8. Recirculación de gases de escape

Realizamos el ensayo para comprobar el envejecimiento de la sonda lambda LSU, siguiendo las indicaciones del fabricante durante el proceso:

inicio del test

condiciones de ensayo

final del test correcto

medida del estado de envejecimiento, tiem-po que transcurre en-tre dos saltos de ten-

sión, < 1,0 s

¿cómo se efectúa el ensayo? ; a través

de una modulación de la mezcla, leve oscilación entre

mezcla rica y pobre generada artificial-mente por parte de la UCE motor, para un diagnostico del tiempo de reacción de la sonda lambda



NOTAS



CUESTIONARIO ALUMNOS

1.- La sonda lambda detecta en el los gases del tubo de escape …

2.- Los electrodos de la sonda son de platino y el cuerpo es de …

3.- ¿Por qué la sonda ha de ser calefactada?

4.- Valor de la tensión de referencia en la célula de Nernst.

5.- Parámetro en el que se basa la medición del valor estequiométrico de la mezcla en la sonda LSU.

6.- Componentes fundamentales que constituyen la sonda lambda LSU.

7.- La sonda lambda LSU lleva en su conector una resistencia, ¿para qué sirve?

8.- Marcas que comercializan sondas lambda universal o de banda an-cha .

9.- Según el esquema eléctrico de la figura e1, donde conectaré un voltímetro para comprobar la tensión de la célula de Nernst.

10.– Sobre el mismo esquema, ¿cómo comprobaría la intensidad del ele-mento de bombeo?.



CUESTIONARIO ALUMNOS Respuestas

1.- La sonda lambda detecta en los gases del tubo de escape … el oxíge-no libre contenido en los mismos.

2.- Los electrodos de la sonda son de platino y el cuerpo es de … cerá-mica porosa compuesta de dióxido de circonio, ZrO2.

3.- ¿Por qué la sonda ha de ser calefactada? Para mantenerla a su tem-peratura de servicio, superior a 350º C, así la cerámica porosa se vuelve conductora de los iones de oxígeno, O-2.

4.- Valor de la tensión de referencia en la célula de Nernst. 450 mv. equivalente a la mezcla estequiométrica, λ = 1.

5.- Parámetro en el que se basa la medición del valor estequiométrico de la mezcla en la sonda LSU. Intensidad de corriente que circula por el elemento de bombeo, de valor “+” para mezclas pobres y “-” para ricas.

6.- Componentes fundamentales que constituyen la sonda lambda LSU. Célula de bombeo, célula Nersnt, elemento calefactor, cuerpo de cerámi-ca porosa de ZrO2 y electrodos de platino.

7.- La sonda lambda LSU lleva en su conector una resistencia, ¿para qué sirve? Es una resistencia de calibración, ajustada por láser, lo que la hace inseparable de la sonda LSU. El ajuste compensa las variaciones en el di-seño del orifico de acceso a la cámara de medición y el volumen de la misma.

8.- Marcas que comercializan sondas lambda universal o de banda an-cha. Bosch y NTK.

9.- Según el esquema eléctrico de la figura e1, donde conectaré un voltímetro para comprobar la tensión de la célula de Nernst. Según el es-quema eléctrico, en los bornes de la UCE 70 y 51, o sobre la sonda 5 y 6.

10.– Sobre el mismo esquema, ¿cómo comprobaría la intensidad del ele-mento de bombeo?. Insertando un amperímetro (escala de mA) entre los terminales 6 de la sonda y 51 de la UCE.

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