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Entender los sensores de oxígeno

Los sistemas de control de motor computerizados de hoy en día destacan por la variedad de entradas por sensores para regular el funcionamiento del motor, las emisiones y otras funciones importantes. Los sensores deben abastecer de información exacta o habrían problemas de conducción, consumo de combustible exagerado o fallos en las emisiones.

Uno de los sensores principales del sistema es el sensor de oxígeno. A menudo nos referimos a él como el sensor O2 porque O2 es la fórmula química del oxígeno (los átomos de oxígeno siempre viajan en pareja y nunca solos).

El primer sensor de oxígeno se puso en 1976 en un Volvo 240. Los vehículos de California los pusiero en 1980 cuando la normativa de emisiones del estado incluyeron emisiones inferiores. Las cosas han evolucionado tanto que algunos equipos van ahora equipados con múltiples sensores de O2, hasta cuatro!!

El sensor O2 está montado en el colector de salida para vigilar cuando oxígeno no consumido hay en los gases a la salida del motor. La vigilancia de los nieles de oxígeno en los gases es un método de tener controlada la mezcla de combustible. Indica al ordenador si la mezcla quema enriquecia (poco oxígeno) o empobrecida (exceso de oxígeno).

La riqueza o pobreza relativa de la mezcla puede ser afectada por muchos factores, incluyendo la temperatura del aire, la temperatura del refrigerante del motor, la presión barométrica, la posición de la maripos y la carga de aire en motor. Hay otros sensores que vigilan estos factores, pero el sensor O2 es el principal observador de lo que está pasando en la mezcla. En consecuencia, cualquier problema en este sensor puede descuadrar al sistema completamente.

Ciclos

El ordenador usa la entrada del sensor de oxígeno para regular la mezcla de combustible, lo que se llama "ciclo de control de realimentación". El ordenador saca sus conclusiones basándose en el sensor O2 y responde cambiando la mezcla de combustible. Esto produce un cambio en las lecturas del sensor O2, al que se llama operación de "ciclo cerrado" ya que el ordenador usa la entrada del sensor para regular la mezcla. El resultado es un constante ahora-tú-ahora-yo de rico a pobre que permite al catalizador operar en una eficiencia punta mientras se mantiene una mezcla media que está ajustada para minimizar las emisiones. Es una configuración compleja pero funciona

Cuando no se recibe señal del sensor O2, que es el caso de un motor en en arranque (o un fallo en el sensor O2), el ordenador fija una mezcla enriquecida que no cambia. Esto se llama operación "ciclo abierto" porque no se usa ninguna entrada del sensor O2 para regular la mezcla.

Si el motor falla al intentar un ciclo cerrado o cuando el sensor O2 alcanza la temperatura de funcionamiento, o entra en ciclo cerrado debido a la pérdida de señal del sensor O2, el motor quemará de forma enriquecida generando un aumento en el consumo de combustible y en las emisiones.

Cómo funciona

El sensor O2 funciona como un generador en miniatura y produce su propio voltaje cuando se calienta. Dentro de la cubierta al final del sensor que entra en el colector de escape hay una pieza cerámica de circonio. Esta pieza está cubierta en su exterior por una capa porosa de platino. Dentro de la pieza hay dos filamentos de planito que sirven como electrodos o contactos.

El exterior de la pieza está expuesto a los gases caliente en la salida mientras que el interior del sensor está ventilado internamente a través del cuerpo del sensor a la atmósfera exterior. Los antiguos sensores de oxígeno tenían un pequeño agujero en el cuerpo para que el aire entrara al sensor, pero los más actuales "respiran" mediante sus conectores de cableado y no tienen agujero de respiración. Es duro de creer, pero el pequeño espacio entre el aislamiento y el cable provee de espacio suficiente para que el aire entre al sensor. Ventilar el sensor por los cables en vez de con un agujero reduce el riesgo de suciedad o de contaminación por humedad que podría hacer el sensor fallar desde su interior.

La diferencia en los niveles de oxígeno entre la salida de gases y el aire exterior que hay dentro del sensor causa que el voltaje fluya por la pieza cerámica. A mayor diferencia más lectura de voltaje.

Un sensor de oxígeno generará por regla general hasta 0.9 voltios cuando la mezcla de combustible es rica y hay oxígeno sin quemar en los gases de escape. Si es pobre el voltaje de salida del sensor caerá a los 0.1 voltios. Si la mezcla aire/combustible está equilibrada en el punto de 14.7 a 1, el sensor leerá unos 4.5 voltios.

Cuando el ordenador recibe una señal de enriquecido (voltaje alto) del sensor O2, empobrecela mezcla para reducir la lectura del sensor. Si la señal es de empobrecido (voltaje bajo) el ordenador invierte y hace la mezcla más rica. Este balanceo constante de la mezcla sucede a diferentes velocidades dependiendo del sistema de combustible. La transición es más lenta en motores con carburadores retroalimentados, típicamente una vez por segundo a 2500 rpm. Los motores con inyección por mariposa son más rápidos (2 a 3 veces por segundo a 2500rpm), mientras que los motores con inyección multipuerto son los más rápidos (5 a 7 veces por segundo a 2500 rpm).

El sensor de oxígeno debe estar caliente antes de empezar a general una señal de voltaje, así que muchos sensores de oxígeno tienen un pequeño elemento calentador interior que les ayuda a alcanzar la temperatura de operatividad más rápidamente. El elemento calentador también previene el enfriamiento del sensor en un lapso prolongado, que causaría que el sistema volviera a un ciclo abierto.

Los sensores calentados O2 se usan principalmente en vehículos nuevos y tienen 3 0 4 cables. Los antiguos sensores O2 con un solo cable no tienen calentadores. Al sustituir un sensor O2 hay que asegurarse que el del mismo tipo que el original (con o sin calentador).

El nuevo papel de los sensores O2 con eOBD

Ahora se usa un segundo sensor de oxígeno después del catalizador para vigilar la eficiencia del catalizador. En motores V6 o V8 con escape dual esto significa hasta 4 sensores de O2 (uno para cada banco de cilindros y uno después de cada catalizador).

El sistema eOBD está diseñado para vigilar el funcionamiento del escape del motor. Esto incluye mantener el ojo en cualquier cosa que pueda causar un aumento de la emisión. El sistema eOBD compara las lecturas de los niveles de oxígeno de los sensores O2 antes y después del catalizador para ver si el catalizador reduce la polución en la salida. Si ve pocos cambios o ninguno en las lecturas del nivel de oxígeno indica que el catalizador no está funcionando como debería, hecho que activaría la luz MIL.

Diagnosis del sensor

Los sensores O2 están suficientemente protegidos considerando el entorno en el que tienen que funcionar. Pero los sensores O2 tienen que ser sustituidos eventualmente.

El funcionamiento del sensor O2 tiene a reducirse con el tiempo y la acumulación de contaminantes, cosa que reduce gradualmente su habilidad de producir un voltaje. Este tipo de deterioro puede ser causado por una variedad de sustancias que logran entrar tales como silicona, sulfuros, ceniza de aciete e incluso algunos aditivos del combustible. El sensor también puede quedar dañado por factores ambientales tales como el agua y elementos de la carretera tales como los salinos, aceite y suciedad.

Con el envejecimiento y deterioro del sensor, el tiempo que necesita para reaccionar a los cambios de la mezcla desciende, lo que causa que las emisiones suban. Esto sucede porque el balanceo de la mezcla se enlentece y reduce la eficiencia del catalizador. El efecto se nota más en motores con inyección multipuerto (MFI) antes que en carburación electrónica ya que la cantidad de combustible cambia más rápidamente en las aplicaciones MFI.

Si el sensor deja de funcionar el resultado es una mezcla rica y fija. Por defecto en la mayoría de aplicaciones de combustible inyectado el rango medio se alcanza tras 3 minutos. Esto causa un salto enorme en el consumo de combustible y en las emisiones. Y si el catalizador se sobrecalienta debido a una mezcla rica podría quedar dañado.

La única forma de saber si el sensor O2 está funcionando es inspeccionarlo regularmente. Por eso algunos vehículos tienen una luz para recordar el mantenimiento del sensor. El mejor momento de comprobar los sensores es con el cambio de las bujías.

Se puede leer la salida del sensor O2 con una herramienta de diagnosis o con un voltímetro digital. Pero las transiciones son difíciles de ver ya que los número cambian muy a menudo. Un voltímetro analógico es mejor para ver las transiciones. El mejor instrumentos pare ver la salida del voltaje del sensor O2 es un osciloscopio digital con almacenamiento. El osciloscopio mostrará el voltaje de salida del sensor como una línea ondulante que muestra tanto la amplitud (voltaje máximo y mínimo) como la frecuencia (tiempo de transición de rico a pobre).

Un buen sensor O2 produce una onda oscilante al ralentí que hace las transiciones del voltaje de cerca del mínimo (0.1V) a cerca del máximo (0.9V). Cambiarartificialmente la mezcla a rica poniendo propano en el colector de entrada causará una reacción inmediata del sensor (100 ms) que irá al máximo (0.9V). Generar una mezcla pobre abriendo una línea de vacío hará que la salida del sensor baje al mínimo (0.1V). Si el sensor no reacciona de forma rápida puede indicar la necesidad de sustituirlo.

Si el circuito del sensor O2 se abre, se cortocircuita o sale de rango, podría activar un código de avería e iluminar la luz de Comprobación de Motor o la luz de MIL. Si la diagnosis adicional revela que el sensor está defectuoso se necesitará una sustitución. Pero muchos sensores O2 que están muy degradados continúan funcionando lo suficientemente bien como para no activar ningún código de avería, pero no lo suficiente como para prevenir un aumento en las emisiones y el consumo de combustible. La ausencia de un código de avería o una luz de aviso, por lo tanto, no significa que el sensor O2 esté funcionando como debe.

Sustitución del sensor

Cualquier sensor O2 que esté defectuoso necesita ser sustituido. Pero cambiarlo de forma periódica beneficia al mantenimiento. Sustituir un sensor O2 envejecido puede regenerar la eficiencia pico del catalizador, minimizar las emisiones de escape y prolongar la vida del catalizador.

Los sensores sin calentador de 1 o 2 cables se pueden sustituir cada 50.000 a 80.000 km. Los sensores calentados de 3 o 4 cables deben ser sustituidos cada 100.000 km. En vehículos equipados con eOBD se recomienda un máximo de 160.000 km.