Un medidor de relación aire-combustible monitorea la relación aire-combustible de un motor de combustión interna . También llamado medidor de relación aire-combustible , medidor de aire-combustible o medidor de aire-combustible , lee la salida de voltaje de un sensor de oxígeno , a veces también llamado sensor AFR o sensor lambda.
Los sensores de oxígeno de banda estrecha originales se convirtieron en estándar instalados en fábrica a finales de los años 1970 y principios de los 1980. En los últimos años ha aparecido un sensor de banda ancha más nuevo y mucho más preciso, aunque más caro.
La mayoría de los medidores independientes de banda estrecha tienen 10 LED y algunos tienen más. También son habituales los medidores de banda estrecha en carcasas redondas con montaje estándar de 52 y 67 mm ( 2+1 ⁄ 16 y 2+5 ⁄ 8 pulgadas) de diámetro, como otros tipos de 'medidores' de automóviles. Suelen tener 10 o 20 LED. También se encuentran disponibles medidores analógicos estilo "aguja".
Como se indicó anteriormente, existen medidores de banda ancha que son independientes o están montados en carcasas. Casi todos muestran la relación aire-combustible en una pantalla numérica, ya que los sensores de banda ancha proporcionan una lectura mucho más precisa. Como los sensores de banda ancha utilizan componentes electrónicos más precisos, estos medidores son más caros.
Las mezclas pobres mejoran la economía de combustible pero también provocan fuertes aumentos en la cantidad de óxidos de nitrógeno (NOX) . Si la mezcla se vuelve demasiado pobre, es posible que el motor no se encienda, lo que provoca fallos de encendido y un gran aumento de las emisiones de hidrocarburos no quemados (HC). Las mezclas pobres se queman a mayor temperatura y pueden provocar un ralentí irregular, dificultades para arrancar y calarse, e incluso pueden dañar el convertidor catalítico o quemar válvulas en el motor. El riesgo de detonación también aumenta cuando el motor está bajo carga.
Las mezclas que son más ricas que la estequiométrica permiten una mayor potencia máxima del motor cuando se utiliza combustible líquido vaporizado debido a que la mezcla no puede alcanzar un estado perfectamente homogeneizado, por lo que se agrega combustible adicional para garantizar que todo el oxígeno se queme produciendo la máxima potencia. La mezcla ideal en este tipo de operación depende de cada motor. Por ejemplo, los motores con inducción forzada, como los turbocompresores y los sobrealimentadores, normalmente requieren una mezcla más rica con el acelerador completamente abierto que los motores de aspiración natural. Los motores de inducción forzada pueden sufrir daños catastróficos si se queman demasiado pobres durante demasiado tiempo. Cuanto más pobre sea la mezcla de aire y combustible, mayor será la temperatura de combustión dentro del cilindro. Una temperatura demasiado alta destruirá el motor, derritiendo los pistones y las válvulas. Esto puede suceder si uno conecta el cabezal y/o los colectores o aumenta el impulso sin compensar instalando más o más inyectores y/o aumentando la presión del combustible a un nivel suficiente. Por el contrario, el rendimiento del motor se puede reducir aumentando el suministro de combustible sin aumentar el flujo de aire hacia el motor. Además, si un motor se inclina hasta el punto en que la temperatura de los gases de escape comienza a bajar, la temperatura de la culata también disminuirá. Esto sólo se recomienda en la configuración de crucero, nunca cuando se acelera con fuerza, pero se está volviendo cada vez más popular en los círculos de la aviación, donde se instalan los indicadores de control del motor adecuados y la mezcla de aire y combustible se puede ajustar manualmente. [1]
Los motores fríos también suelen requerir más combustible y una mezcla más rica cuando arrancan por primera vez (ver: inyector de arranque en frío), porque el combustible no se vaporiza tan bien cuando está frío y, por lo tanto, requiere más combustible para "saturar" adecuadamente el aire. Las mezclas ricas también se queman más rápido y reducen el riesgo de detonación o detonación cuando el motor está bajo carga. Sin embargo, las mezclas ricas aumentan considerablemente las emisiones de monóxido de carbono (CO).
La introducción temprana del sensor de oxígeno se produjo a finales de los años 1970. Desde entonces la circonita ha sido el material elegido para su construcción. El sensor de O 2 de circonio produce su propio voltaje , producción que lo convierte en un tipo de generador. El voltaje variable se mostrará en un osciloscopio como una forma de onda algo parecida a una onda sinusoidal cuando esté en control de circuito cerrado. El voltaje real que se genera es una medida del oxígeno que se necesita para completar la combustión del CO y HC presentes en la punta del sensor. La relación estequiométrica de mezcla de aire-combustible para motores de gasolina es la relación teórica de aire-combustible en la que todo el combustible reaccionará con todo el oxígeno disponible, lo que dará como resultado una combustión completa. En esta relación o cerca de ella, el proceso de combustión produce el mejor equilibrio entre potencia y bajas emisiones. En la relación estequiométrica aire-combustible, el voltaje del sensor de O 2 generado es de aproximadamente 450 mV. El módulo de control del motor (ECM) reconoce una condición rica por encima del nivel de 450 mV y una condición pobre por debajo de él, pero no detecta el alcance de la riqueza o la pobreza. Es por esta razón que el sensor de O 2 de circonio se denomina sensor de O 2 de "banda estrecha" .
El sensor de O 2 de titanio se utilizó de forma limitada a finales de los 80 y principios de los 90. La construcción semiconductora de este sensor hace que su funcionamiento sea diferente al del sensor de O 2 de circonio . En lugar de generar su propio voltaje, la resistencia eléctrica del sensor de O 2 de titanio cambia según el contenido de oxígeno del escape. Cuando la relación aire/combustible es rica, la resistencia del sensor ronda los 950 ohmios y más de 21 kiloohmios cuando la mezcla es pobre. Al igual que el sensor de circonio, el sensor de O 2 de titanio también se considera un sensor de O 2 de banda estrecha .
Como se mencionó anteriormente, el principal problema con cualquier sensor de O 2 de banda estrecha es que el ECM sólo detecta que la mezcla es ligeramente más rica o más pobre que la relación estequiométrica. El ECM no mide la relación aire-combustible en funcionamiento fuera del rango estequiométrico. En efecto, sólo detecta que la mezcla es más rica o más pobre que la estequiometría. Un voltaje del sensor de O 2 inferior a 450 mV provocará una ampliación del pulso del inyector y viceversa. La señal de O 2 resultante, cambiante o cíclica, del control de combustible (circuito cerrado) es lo que el técnico ve en el osciloscopio al sondear el cable de señal del sensor de O 2 .
El nuevo sensor de O 2 de "banda ancha" resuelve el problema de detección estrecha de los sensores de circonio anteriores. Estos sensores a menudo reciben diferentes nombres, como sensores lambda continuos (lambda representa la relación aire-combustible ), AFR (sensores de relación aire-combustible), LAF (sensor de aire-combustible pobre) y sensor de O 2 de banda ancha. Independientemente del nombre, el principio es el mismo: colocar el ECM en una mejor posición para controlar la mezcla de aire/combustible. De hecho, el sensor de O 2 de banda ancha puede detectar el contenido de O 2 del escape muy por debajo o por encima de la relación perfecta aire/combustible. Este control es necesario en los nuevos motores de combustión pobre con niveles de emisiones extremadamente bajos. Las regulaciones de emisiones más estrictas y las demandas de una mejor economía de combustible están impulsando esta nueva tecnología de control de combustible.
El sensor de O 2 de banda ancha tiene una apariencia similar al sensor de O 2 de circonio normal . Sin embargo, su construcción interna y su funcionamiento son totalmente diferentes. El sensor de O 2 de banda ancha se compone de dos capas internas llamadas celda de referencia y celda de bomba . El circuito del sensor AFR del ECM siempre intenta mantener una relación aire/combustible perfecta dentro de una cámara de monitoreo especial (cámara de difusión o circuito de celda de bomba) mediante el control de su corriente. El sensor AFR utiliza circuitos electrónicos dedicados para establecer una corriente de bombeo en la celda de bomba del sensor. En otras palabras, si la mezcla de aire/combustible es pobre, el voltaje del circuito de la celda de la bomba baja momentáneamente y el ECM regula inmediatamente la corriente que pasa a través de él para mantener un valor de voltaje establecido o una relación estequiométrica dentro de la cámara de difusión. A continuación, la celda de bomba descarga el exceso de oxígeno a través del intersticio de difusión mediante la corriente creada en el circuito de la celda de bomba. El ECM detecta la corriente y amplía la pulsación del inyector en consecuencia para agregar combustible.
Si, por otro lado, la mezcla de aire/combustible se enriquece, el voltaje del circuito de la celda de la bomba aumenta rápidamente y el ECM inmediatamente invierte la polaridad actual para reajustar el voltaje del circuito de la celda de la bomba a su valor estable establecido. Luego, la celda de bomba bombea oxígeno a la cámara de monitoreo mediante la corriente inversa en el circuito de la celda de bomba AFR del ECM. El ECM detecta la corriente inversa y se emite un comando de reducción de pulsaciones del inyector para que la mezcla vuelva a ser pobre. Dado que la corriente en el circuito de la celda de la bomba también es proporcional a la concentración o deficiencia de oxígeno en el escape, sirve como índice de la relación aire/combustible. El ECM monitorea constantemente el circuito de corriente de la celda de la bomba, que siempre intenta mantener a un voltaje establecido. Por este motivo, las técnicas utilizadas para probar y diagnosticar el sensor de O 2 de circonio normal no se pueden utilizar para probar el sensor AFR de banda ancha. Estos sensores son dispositivos impulsados por corriente y no tienen una forma de onda de voltaje cíclica. Los procedimientos de prueba, que se analizarán más adelante, son bastante diferentes a los de los sensores de O 2 más antiguos .
Se puede considerar que el funcionamiento del sensor AFR es similar al sensor de flujo de aire masivo (MAF) de alambre caliente. Pero, en lugar de un cable caliente MAF, el ECM intenta mantener una relación aire/combustible perfectamente estequiométrica dentro de la cámara de monitoreo variando la corriente del circuito de la celda de la bomba. La parte sensora en la punta del sensor siempre se mantiene a un voltaje constante (según el fabricante). Si la mezcla se enriquece, el ECM ajustará la corriente que fluye a través de la punta sensora o del circuito de la celda de la bomba hasta que se alcance nuevamente el nivel de voltaje de funcionamiento constante. El cambio de voltaje ocurre muy rápido. La corriente a través del circuito de la bomba también empuja los átomos de oxígeno dentro o fuera de la cámara de difusión (cámara de monitoreo), lo que restablece la relación aire/combustible de la cámara de monitoreo a la estequiometría. Aunque el ECM varía la corriente, intenta mantener el circuito de la bomba a un potencial de voltaje constante.
A medida que el ECM monitorea la corriente variable, un circuito especial (también dentro del PCM o Módulo de control del tren de potencia) convierte la corriente en un valor de voltaje y la pasa al flujo de datos en serie como un PID OBD-II ( no debe confundirse). con un controlador PID ). Es por eso que la mejor manera de probar la señal de un sensor AFR es monitoreando el circuito de conversión de voltaje, que el ECM envía como un PID de voltaje AFR. Es posible monitorear la corriente variable del sensor AFR real, pero los cambios son muy pequeños (en el rango bajo de miliamperios ) y difíciles de monitorear. Un segundo inconveniente de una prueba de corriente AFR manual es que el cable de señal debe cortarse o romperse para conectar el amperímetro en serie con el circuito de la bomba. El amperímetro de pinza promedio actual no es lo suficientemente preciso a una escala tan pequeña. Por este motivo, la forma más sencilla (pero no la única) de probar un sensor AFR es con el escáner.
Al utilizar un escáner para comunicarse con el ECM, se puede ver la actividad del sensor AFR. Estos datos generalmente se muestran como voltaje del sensor WRAF (combustible de aire de amplio rango) , A/F o AFR. Sin embargo, en algunos vehículos y escáneres aparecerá como "lambda" o "relación de equivalencia". Si el PID muestra una lectura de voltaje, debe ser igual al voltaje de referencia del sensor cuando la mezcla de aire/combustible es ideal. El voltaje de referencia varía de un automóvil a otro, pero suele ser de 3,3 V o 2,6 V. Cuando la mezcla de combustible se enriquece (en una aceleración rápida y repentina), el voltaje debería disminuir. En condiciones pobres (como desaceleración), el voltaje debería aumentar.
Si el PID del escáner muestra una "lambda" o " relación de equivalencia ", la lectura debe ser 1,0 en condiciones estequiométricas. Los números superiores a 1,0 indican una condición pobre, mientras que los números inferiores a 1,0 indican mezclas ricas. El ECM utiliza la información de los sensores para ajustar la cantidad de combustible que se inyecta en el motor, por lo que también se deben ver los cambios correspondientes en los PID de ajuste de combustible a corto plazo (STFT). Las lecturas de mezcla pobre del sensor AFR solicitarán al ECM que agregue combustible, lo que se manifestará como un porcentaje de ajuste de combustible positivo (o más positivo) a corto plazo.
Algunos técnicos obligarán al motor a funcionar pobremente creando una fuga de vacío aguas abajo del sensor de flujo de aire masivo y luego observarán los PID del escáner para obtener una respuesta. El motor puede enriquecerse agregando una cantidad medida de propano al flujo de aire entrante. En cualquier caso, si el sensor no responde, probablemente tenga un problema. Sin embargo, estas pruebas no descartan otros problemas de circuitos o problemas del ECM. Se recomienda un diagnóstico exhaustivo y sistemático.
Otra diferencia importante entre el sensor AFR de banda ancha y un sensor de O 2 de circonio es que tiene una temperatura de funcionamiento de aproximadamente 750 °C (1380 °F). [2] En estas unidades la temperatura es muy crítica y por esta razón se emplea un circuito calentador especial controlado por ancho de pulso para controlar la temperatura del calentador con precisión. El ECM controla el circuito del calentador.
El amplio rango operativo, junto con la operación inherente de acción rápida del sensor AFR, coloca el sistema siempre en estequiometría, lo que reduce una gran cantidad de emisiones. Con este tipo de control de combustible, la relación aire/combustible siempre ronda cerca de 14,7:1. Si la mezcla se vuelve ligeramente rica, el ECM ajusta la corriente del circuito de la bomba para mantener el voltaje de funcionamiento establecido. La corriente es detectada por el circuito de detección del ECM, emitiéndose como resultado un comando para reducir la pulsación del inyector. Tan pronto como la mezcla de aire y combustible vuelva a la estequiometría, debido a la reducción de la pulsación del inyector, el ECM ajustará la corriente respectivamente. El resultado es que no hay corriente (0,00 amperios ) con una relación aire-combustible de 14,7:1. En este caso, se ve una ligera joroba negativa en el amperímetro y la lectura vuelve a 0,00 casi de inmediato. La corrección del combustible ocurre muy rápidamente.
Un sensor de banda estrecha tiene una salida no lineal, con rangos de 0,10 V a 1,0 V, siendo ideal 0,450. Los sensores de banda estrecha dependen de la temperatura. Si los gases de escape se calientan, el voltaje de salida en el área pobre aumentará y en el área rica disminuirá. En consecuencia, un sensor, sin precalentamiento, tiene una salida pobre más baja y una salida rica más alta, posiblemente incluso superando 1 voltio. La influencia de la temperatura sobre el voltaje es menor en el modo pobre que en el modo rico.
Un motor "frío" hace que la computadora cambie la relación aire-combustible, por lo que el voltaje de salida del sensor de O2 cambia entre aproximadamente 100 y 850/900 mV y, después de un tiempo, el sensor puede generar un voltaje de conmutación entre aproximadamente 200 y 700/750 mV. para los coches turboalimentados aún menos.
La unidad de control del motor (ECU) cuando funciona en "circuito cerrado" tiende a mantener cero oxígeno (por lo tanto, un equilibrio estequiométrico), donde la mezcla de aire y combustible es aproximadamente 14,7 veces la masa de aire para alimentar la gasolina. Esta relación mantiene un rendimiento del motor "neutral" (menor consumo de combustible pero potencia decente del motor y contaminación mínima).
El nivel medio del sensor está cerca de 450 mV. Dado que los convertidores catalíticos necesitan una relación a/f cíclica, no se permite que el sensor de oxígeno mantenga un voltaje fijo, la ECU controla el motor proporcionando la mezcla entre pobre (y rica) de una manera suficientemente rápida mediante ciclos más cortos (o más largos). ) tiempo de señal a los inyectores, por lo que el nivel medio es, como se indica, de unos 450 mV.
Por otro lado, un sensor de banda ancha tiene una salida muy lineal , de 0 a 5 V, y requiere una temperatura de funcionamiento mucho más alta.
Si el propósito del medidor de relación aire-combustible es detectar también un problema existente o posible con el sensor anterior para verificar la mezcla general y el rendimiento, un medidor de relación aire-combustible de banda estrecha es suficiente.
En aplicaciones de sintonización de alto rendimiento, es deseable el sistema de banda ancha.