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FUNCIONAMIENTO DEL SENSOR DE OXIGENO

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FUNCIONAMIENTO DEL SENSOR DE OXIGENO Powered By Docstoc
					FUNCIONAMIENTO DEL SENSOR DE OXIGENO.

¿Qué es la mezcla estequiométrica

Pues bien, la mezcla estequiométrica no es mas que la cantidad de aire y combustible
relacionados en pesos o masas necesarios para efectuar una combustión químicamente
correcta.

¿Por qué decimos aire y no oxigeno

La respuesta a esta pregunta se nos hará un poco extensa pero de necesaria importancia.

 Pues bien, existen muchos elementos que contienen oxigeno pero es del aire del que se
puede hacer la más fácil obtención, y decimos aire ya que cuando el pistón en el proceso de
admisión desciende desde el PMS al PMI lo que aspira es aire, el cual esta compuesto por
los elementos que más adelante relacionaremos. El motor no es capaz de seleccionar
químicamente lo necesario para su combustión, permitiendo la entrada asi en su interior los
citados elementos y combinándose con el combustible.

Si el aire esta seco(muy baja humedad relativa) se puede afirmar que desde el punto de
vista del volumen esta compuesto de la siguiente manera:

Nitrógeno                    78.03 %

Oxigeno                      20.99 %

Aragón                        0.94 %

Bióxido de Carbono            0.03 %

Hidrogeno                     0.01 %

                            100.00 %

 Como vemos los gases que mayores porcentajes tiene son el nitrógeno y el oxigeno,
superando por mucho a los demás considerándolos insignificantes, por lo que a partir de
este momento consideraremos al aire compuesto por un 21 % de oxigeno y el otro 79 % de
nitrógeno. Esto como antes hablamos es desde el punto de vista volumétrico, pero las cosas
no son tan sencillas como hasta aquí ya que el motor del automóvil lo que va a quemar es
una masa o peso. Es por ello que corresponde a el peso tomar parte en el asunto y es
precisamente en este punto donde se le complican las cosas a las nuevas técnicas de
alimentación de los motores de explosión ya que el peso de el aire que respiramos varia de
manera considerable con la altura sobre el nivel del mar y también con las condiciones
atmosféricas y para demostrar lo dicho ofreceremos a continuación la siguiente tabla:
Altura sobre el Presion                   Temperatura Peso de 1L de
Mar(m)          Barométrica               T(c·)       Aire(g)
                (mm Hg)
Nivel del Mar        760                  0 (Muy poca 1.2929
                                          Humedad)
Nivel         del    760                  15          1.225

Mar
500                                       15                  1.165

 Como hemos podido apreciar hay muchos factores que ejercen gran influencia sobre el
peso del aire, esto sin contar que existen otras razones que afectan su peso, como es el caso
de gases vertidos a la atmósfera, humos, polvos, tambien el grado de humedad y otros mas
que podamos encontrar a lo largo de un severo análisis.

Estos factores ya mencionados son los que complican muchísimo el poder mantener las
mezclas en rangos de trabajo muy estrechos y por supuesto cercanos a la mezcla
estequiométrica, no sin antes señalar que existen momentos en el trabajo de un automóvil,
cuando por ejemplo pedimos máxima potencia en los que nos alejamos un poco de lo
químicamente deseado.

Debemos conocer que lo quemado en las camaras de combustión de los autos son masas
tanto de aire como de combustibles y analizando entonces los últimos factores que influyen
en el peso del aire diremos pues que desde el punto de vista de peso el aire esta repartido de
la siguiente manera:

Nitrógeno                            75.47 %

Oxigeno                              23.19 %

Aragón                                1.30 %

Bióxido de Carbono                    0.04 %

De igual forma vemos que los gases con mayores porcentajes son el Nitrógeno y el
Oxigeno superando nuevamente por amplio margen a los demas.

 Para que el aprovechamiento del calor sea lo más correcto posible y los productos del
escape lo menos contaminantes que podamos, debemos procurar enviar a la camara de
combustión las cantidades estrictamente necesarias tanto de aire como de combustible. Si
en el proceso de formación de la mezcla nos excedemos en aire, y como sabemos este no
cede energía y si ocupa un volumen, entonces auque la combustión se efectúa de manera
completa no encontraremos la fuerza expansiva deseada, y si por el contrario la proporción
de combustible es mucho mayor que la del aire nos encontraremos con que la gasolina no
será quemada completamente, combustión incompleta por lo que el motor tendrá un
consumo excesivo, un rendimiento muy bajo y unos índices de contaminación muy
elevados.

 Debemos para continuar con nuestra explicación pedir ayuda a la magia de los químicos y
conocer que si la combustión solo se efectuara entre el carbono y el oxigeno no existirían
muchos problemas y todo quedaría resuelto asi:

                    C + O2 - CO2
 Pero ocurre que en el proceso de admisión lo que aspiraremos será un volumen de aire el
cual como antes dijimos consta de un 79 % de nitrógeno y 21 % de oxigeno quedando la
relación entre ambos de la siguiente manera:

                                                       79/21=3.76

 lo que quiere decir que cada 3.76 partes de nitrógeno se consume 1 de oxigeno, por lo que
al sacar el oxigeno del aire las cosas quedaran de la siguiente manera:

                 C + O2 + 3.76 N2 – CO2 + 3.76 N2

 También resulta que en el proceso de combustión no solo esta presente el carbono sino que
se encuentra el Hidrogeno acompañandolo por ser el combustible(Gasolina) una mezcla de
hidrocarburos (C8H18).

         C8H18 + O2 + 3.76 N2 – CO2 + H2O + 3.76 N2
 Ahora balancearemos la ecuación y lo haremos por el orden de ella misma, asi es que
comenzaremos con C,H,O y finalmente el N.

    C8H18 + O2 + 3.76 N2- CO2 + H2O + 3.76 N2

     C8 – 8CO2

     H18 – 9H2O

     12.5 O2 – 8CO2 + 9H2O

     12.5(3.76)N2 – 12.5(3.76)N2
Por ultimo y después de encontrar balanceada la ecuación nos encontramos la cantidad de
oxigeno necesaria para la combustión de este hidrocarburo mostrada en la formula final que
a continuación presentamos:
    C8H18 + 12.5 O2 + 47N2 – 8CO2 + 9H2O + 47N2

 Esta cantidad de combustible y oxigeno que fueron químicamente relacionados es la bien
llamada estequiométrica y que a continuación relacionaremos teniendo en cuenta las masas
moleculares, lo que nos permitirá conocer la cantidad en masa tanto de aire como de
combustible necesaria para el proceso de combustión.

Los pesos moleculares son los que a continuación relacionamos:     O=[16] C=[12]
N=[14] H=[1]

Peso del Combustible:          C8H18                                 Masas moleculares:
C=[12]       H=[1]
     Peso del carbono        (8)[12]= 96

    Peso del Hidrogeno      (18)[1] = 18

                                     114

Peso Aire:                   12.5 O2 + 47 N2                         Masas moleculares:
O=[16] N=[14]
    Peso del Oxigeno      12.5 (2)[16]= 400

    Peso del nitrógeno       47(2)[14]= 1316

                                        1716

 Si relacionáramos el peso del combustible con el peso del combustible en este caso en(g)
las cosas quedarían asi pues:

                                                  114   = 0.0664

                                                 1716

lo que nos viene a decir es que por cada unidad en peso de aire en este caso pudiéramos
asumir como unidad de peso los gramos 1(g) se necesitan 0.0664(g) de combustible para
efectuar la combustión químicamente correcta. Pero si hiciéramos las cosas al revés y
relacionáramos el peso del aire con el peso del combustible es entonces que nos
percataríamos cuantos (g) de aire se necesitarían para quemar un (g) de combustible, nos
daríamos cuenta que la relación es de 15.06(g) de aire por cada 1(g) de combustible:
                                                    1716 =15.06

                                                     114



Para acercarnos mas a la realidad y conociendo que la densidad del combustible es de
aproximadamente igual a 700g/l y quisiéramos conocer cuantos (g) de aire se necesitarían
para quemar 1(litro)de combustible lo único que debemos hacer es:

                                             700(g)·15.06 = 10542 (g) de aire o lo que es
lo mismo 10.542(Kg) de aire.

 Recordemos entonces que en la tabla presentada al principio habíamos dicho que el aire al
nivel del mar y a una temperatura de aproximadamente 15 C su densidad era de
aproximadamente 1.225g/l.

Pues bien si ahora tomáramos la cantidad de (g) de aire que se necesitan para quemar un
litro de combustible y lo dividiéramos por su densidad entonces encontraríamos la cantidad
de litros de aire necesarios para quemar un litro de combustible, asi pues la relación queda
de la siguiente manera:

                                                 10542(g) = 8605 (l) de aire.

                                                1.225(g/l)

 Lo planteado hasta aquí es lo químicamente correcto, pero ocurre que nuestro motor casi
nunca se encuentra con condiciones tan favorables y por el contrario es un verdadero
desafió para los técnicos y diseñadores actuales la fabricación de equipos de inyección que
procuren durante su trabajo y con la mayor rapidez posible acercarse a lo teóricamente
expresado teniendo en cuenta la gran cantidad de disímiles situaciones a las que se
enfrentara durante su funcionamiento el motor del automóvil. Es precisamente en este
punto donde viene a jugar un papel de singular importancia el sensor O2.

 Nuestro sensor de oxigeno es sabido que no a participado en la combustión para saber si se
a escogido la cantidad adecuada de oxigeno pero si puede reaccionar ionizándose ante la
salida del oxigeno por el múltiple de escape y asi entregarle a la computadora una señal de
voltaje que le permita tomar en todo momento una decisión acertada con respecto al el
tiempo de apertura de los inyctores.

Como fue planteado por nuestro colega el señor José A González el “O2 Sensor” , es un
artefacto de muy alta tecnología, hechos(la mayoría), de Dióxido de Zirconio, que es capaz
de generar voltajes dependiendo la cantidad de oxigeno presente en el área de medición,
pero tiene que estar presente, la condición de alta temperatura para que empiece a generar
por si mismo, siendo esta temperatura de un mínimo de entre 400 y 600 Grados Fahrenheit,
o lo que es lo mismo, entre (204.4 C) y (315.5 C).
En este sensor el voltaje normalmente fluctua entre 0.1 volt a 0.9 voltios, señalando con
esto al PCM la condición de emisiones generadas, para que a su vez, la PCM pueda
comandar un control de combustible de una manera controlada, para que la mezcla aire \
gasolina sea equivalente a 14.7:1 en cualquier condición.

 Como vemos nuestro sensor fluctúa sus mediciones en un rango muy amplio, si escojemos
un espacio de tiempo de aproximadamente un minuto y nos fijamos con atención en los
valores(máximos y mínimos) que reflejará la pantalla de nuestro voltímetro y los copiamos
estableceremos entonces un promedio, permitiendo entonces conocer el valor medio sobre
el que esta operando nuestro sensor, asi pues si el sensor nos muestra como promedio un
valor cercano a los 450mv quiere decir que esta procurando que la mezcla sea lo mas
próxima posible a la estequiométrica, si pisamos bruscamente el pedal del acelerador o
inyectamos con una jeringa medica a través del múltiple de admisión un poco de
combustible liquido podremos observar como las lecturas del sensor promediaran en un
valor mucho mas alto que 450mv, si por el contrario desconectamos una manguera en el
propio múltiple entonces observaremos como el promedio de valores se desplazara a una
medida inferior a los 450mv. Visto esto podemos decir que cuando la mezcla es rica el
sensor se acerca a la producción de 0.9 mv y cuando la mezcla es pobre se acerca a los
0.1mv.

¿Porque ocurre esto?

Pues bien el sensor de oxigeno consta de dos electrodos de platino, separados ambos por un
electrolito cerámico de dióxido de zirconio(ZrO2) el cual tiene la propiedad de atraer los
iones libres de oxigeno con carga negativa. Este electrolito cerámico se encuentra
debidamente encapsulado por su parte exterior con uno de los electrodos de platino y que a
su vez es el que se encuentra en contacto con los gases de escape, el otro electrodo de
platino y que cubre el electrolito cerámico por la parte interior, es el que se encuentra en
contacto con el oxigeno del ambiente. El electrodo que esta en contacto con el aire captura
muchos iones negativos convirtiéndose en un electrodo muy negativo, el electrodo que esta
en contacto con los gases de escape por supuesto que captura menos iones negativos por lo
que será mas positivo pero con la característica de que cuando la mezcla es rica (pobre en
oxigeno) se hace muy positivo por la carencia de iones negativos, en este momento se
produce una corriente de iones negativos desde el electrodo que esta en contacto con la
atmósfera que tiene muchos iones negativos hacia el electrodo que esta en contacto con los
gases de escape provocando una caida de voltaje que fluctuando entre 450mv a 900mv en
dependencia del grado de riqueza que experimente la mezcla. Cuando la mezcla es pobre
(rica en oxigeno) se hace mucho menos positivo porque posee muchos iones negativos, en
este momento también se produce una corriente de iones negativos desde el electrodo que
esta en contacto con la atmósfera hacia el electrodo que esta en contacto con los gases de
escape pero de menores valores fluctuando en este caso entre 450 mv a 100mv en
dependencia del grado de pobreza que experimenta la mezcla.
Para finalizar y haciendo un resumen de lo visto hasta aquí podremos decir que el sensor de
oxigeno es un dispositivo electrónico diseñado para suministrar en todo momento una señal
de voltaje que oscilara entre 0.1 volt y 0.9 voltios la cual le permitirá controlar a la ECM las
condiciones de riqueza de la mezcla, siempre que la temperatura de dicho sensor se
encuentre entre los entre 400 y 600 Grados Fahrenheit, o lo que es lo mismo, entre (204.4
C) y (315.5 C).

Ahora bien ¿es esta la condición de mezcla(estequiométrica) que necesita el auto en todo
momento?

Si bien es cierto que esto es lo químicamente correcto tambien lo es el hecho de que no es
precisamente bajo esta condición (14.7:1) que obtenemos la máxima potencia.

 ¿Qué ocurre entonces cuando pisamos bruscamente el acelerador y por supuesto que
cuando lo hacemos siempre lo hacemos por espacios de tiempo diferentes o que decir de
cuando arrancamos en la mañana o cuando nos acercamos a una esquina y sacamos el pie
del acelerador?

 Espero con mi humilde opinión haber podido ayudar a algunos de nuestros colegas.
Quisiera poder recibir a través de este medio mas información acerca del tema y
preferentemente referida a como la PCM y basada en que información acorta los tiempos
desde una señal de riqueza a la estequiométrica o de pobreza a la estequiométrica sin
provocar fallas ni molestias de conducción. Espero que el tema prenda tambien en los foros
y establecer una polémica constructiva al alcance de todos.

				
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