Monográfico I de FAE sobre las sondas lambda: evolución y tipos

El petróleo se está agotando y cada vez más vamos, a pasos agigantados, hacia el vehículo eléctrico. Pero esta transición hacia el vehículo 100% limpio debe hacerse mejorando la eficiencia y ecología de los actuales vehículos de combustión, a los que todavía les quedan muchos años de vida en el mercado.

Aunque parezca paradójico hablar de ecología al referirnos a vehículos que contaminan, podemos afirmar que los avances tecnológicos de estos últimos años están contribuyendo a rebajar drásticamente las emisiones de gases nocivos a la atmósfera, culpables del efecto invernadero.

Según un reciente estudio de la AMB (Área Metropolitana de Barcelona) en lo referente a PM (partículas en suspensión), un automóvil de hace 20 años contamina como 36 automóviles modernos y, en la cantidad de NOx (Óxidos de Nitrógeno) contamina como cinco automóviles modernos. Si vemos la estadística en motos, la relación es de 1:17.

Por ello, las autoridades europeas que regulan las emisiones de gases contaminantes han marcado políticas cada vez más restrictivas. Desde los años 90 hasta el día de hoy, las normas EU han sido cada vez más fuertes con la entrada en vigor de las sucesivas normas Euro2, Euro3 y hasta la actual Euro6c. Algunos fabricantes han tenido problemas y no han superado las pruebas, lo que ha supuesto un gran reto a los ingenieros de motores, de sistemas de postcombustión y de diseño de sondas lambda.

Del control de la emisión de gases se encarga un software que gestiona la ECU, el cerebro del vehículo. Pero, de la misma forma que nuestro cerebro toma la decisión de mover la mano si notamos que se quema, cualquier decisión que toma la ECU depende directamente de lo que le «digan» los sensores repartidos por todo el vehículo. Uno de esos sensores, que está colocado en el tubo de escape y que se encarga, precisamente, de reducir la emisión de gases nocivos a la atmósfera, es la conocida Sonda Lambda (llamada también Sensor de Oxígeno) que detecta permanentemente el valor del oxígeno residual de la combustión, en los gases de escape, para que la ECU ajuste la mezcla en la inyección al valor óptimo.

Todos los vehículos con catalizador llevan al menos una Sonda Lambda (de regulación) que va situada antes del catalizador. Sin embargo, los vehículos que aplican el OBD (On-Board Diagnostic), equipan una segunda Sonda Lambda (de diagnosis) ubicada en la parte posterior del catalizador y que informa del correcto funcionamiento de la Sonda Lambda de regulación, corrigiendo cualquier desvío. También controlan el ciclo de vida del catalizador, avisando en el momento en que éste se encuentra agotado y ha de ser sustituido.

Pero, ¿por qué se llama Sonda Lambda? Pues el factor Lambda (ƛ) es el que marca la proporción aire-combustible comparado con la proporción estequiométrica ideal, que es de 14,7 partes de aire por 1 parte de combustible (en peso). Si esta comparativa da un factor lambda mayor que 1, entonces tenemos una mezcla pobre en combustible. Si el resultado del factor lambda es menor que 1, tenemos una mezcla rica en combustible.

La evolución

Es importante saber que las primeras Sondas Lambda datan de los años 70, donde las sondas tipo EGO de la época no eran calefactables y tenían un tiempo de respuesta útil de más de 120 segundos. Esto significa que, desde que se encendía el vehículo, la ECU no recibía una lectura clara hasta pasados 2 minutos, cuando el motor frío contamina más.

De forma genérica se puede decir que, durante todos estos años, se ha ido buscando mejorar la velocidad, la estabilidad y la precisión de la respuesta de la sonda, con independencia del régimen del motor, y un menor tiempo de puesta en servicio, es decir, el tiempo que tarda el sensor en alcanzar la temperatura de trabajo, como también su resistencia y durabilidad.

En su evolución constante destacan la introducción de las sondas calefactables, la aparición de las sondas de respuesta proporcional al parámetro lambda (también conocidas como de banda ancha o AFR air fuel ratio) y el desarrollo de la tecnología planar, en el que la empresa española FAE ha apostado muy fuerte, ya que desde hace años ha desarrollado su propia tecnología planar, poniendo en funcionamiento una Sala Blanca de más de 700 m2 para el desarrollo y fabricación de miles de sensores y sondas de alta tecnología y calidad para los clientes de todo el mundo.

Tipos de sondas lambda

De Circonia

Las Sondas Lambda binarias, fabricadas con cerámica compuesta de Dióxido de Circonio o Circona, contienen un electrolito sólido que proporciona una tensión eléctrica que se obtiene por comparación de dos atmósferas (los gases de escape por un lado y el aire exterior por el otro) y es sensible a la concentración de oxígeno en los gases de escape. Las mezclas ricas en combustible producen una tensión alta y las mezclas pobres producen una tensión baja, dando así una respuesta binaria on-off con sólo dos valores: 0 o 1, fácilmente interpretable por la electrónica.

De Titanio

El sensor de esta sonda está compuesto por un elemento cerámico de Dióxido de Titanio. A diferencia de las Sondas Lambda basadas en Dióxido de Circonio, éstas no generan ninguna tensión, y el material sensor se encuentra sumergido en los gases de escape, sin necesitar aire exterior.

Estas sondas siempre incluyen un calefactor y, a alta temperatura, la resistencia de este material es sensible a la variación de la concentración de oxígeno en los gases de escape. Para una mezcla rica, la resistencia baja a valores mínimos y para una mezcla pobre, sube a valores máximos. La ECU alimenta la Sonda Lambda con una tensión fija y lee la respuesta de la Sonda Lambda a través de un circuito divisor de tensión.

De banda ancha

A diferencia de las Sondas Lambda de Circona binarias, las Sondas Lambda de Banda Ancha proporcionan una respuesta continua, no binaria, frente al valor lambda detectado. Por este motivo, miden con gran exactitud la composición de los gases de escape, lo que las hace aptas también para motores diésel y de gasolina.

Éstas contienen dos celdas electroquímicas que trabajan de manera concurrente. Una de ellas mide el carácter rico o pobre de la mezcla de gases, de forma similar a las Sondas Lambda binarias. La otra celda electroquímica reacciona condicionada por la señal de la primera celda y por la cantidad de oxígeno en el gas de combustión. El funcionamiento conjunto de ambas celdas proporciona una corriente eléctrica positiva para mezclas pobres, negativa para mezclas ricas y nula para el caso de mezcla perfecta o estequiométrica.

La corriente generada por las Sondas Lambda de Banda Ancha está calibrada y además debe ser transformada en tensión para que pueda ser leída por la ECU del vehículo. Por estos motivos, la Sonda incorpora una resistencia de calibración en el conector. Esta resistencia es diferente para cada sonda, por lo que no se debe, en ningún caso, reemplazar una Sonda Lambda por otra cortando los cables.

Existen dos tipos de Sondas Lambda de Banda Ancha:

Las Sondas de Banda Ancha de primera generación: contienen un canal de referencia de aire exterior similar al de la Sondas Lambda binarias de Circonia.
Las Sondas de Banda Ancha de segunda generación: no precisan de ese canal de referencia para funcionar. En comparación con las de primera generación, la ausencia de canal permite un ahorro la potencia consumida por estas sondas, el tiempo de calentamiento inicial es menor y la estabilidad de la señal a lo largo de su vida útil es mayor.

En función de la aplicación de cada vehículo es necesaria una Sonda de Banda Ancha de primera o de segunda generación, sin que puedan ser intercambiables entre sí.

Diferencia en la respuesta entre una Sonda Lamda de Circonia binaria y la de Air Fuel Ratio, La primera es una respuesta binaria (1 o 0) pero las de tipo Air Fuel Ratio la respuesta es progresiva, así la ECU puede medir con exactitud en cada momento la composición de los gases de escape y actuar con mayor precisión, ya que la de Circonia binaria sólo informa de si la mezcla es rica o pobre, pero no del nivel exacto de mezcla de los gases.