Medidor de relación aire-combustible - Air–fuel ratio meter

Un medidor de relación aire-combustible monitorea la relación aire-combustible de un motor de combustión interna . También llamado calibrador de aire-combustible relación , metros de aire-combustible , o medidor de aire-combustible , se lee la salida de tensión 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 fines de la década de 1970 y principios de la de 1980. En los últimos años, ha estado disponible un sensor de banda ancha más nuevo y mucho más preciso, aunque más caro.

La mayoría de los medidores de banda estrecha independientes tienen 10 LED y algunos tienen más. También es común, medidores de banda estrecha en carcasas redondas con el montaje estándar de 52 y 67 mm ( 2+1 ⁄ 16 y 2+5 ⁄ 8  pulg.) De diámetro, como otros tipos de 'calibres' de automóvil. Suelen tener 10 o 20 LED. También se encuentran disponibles medidores de tipo "aguja" analógicos.

Como se mencionó anteriormente, existen medidores de banda ancha que son independientes o están montados en carcasas. Casi todos ellos muestran la relación aire-combustible en una pantalla numérica, ya que los sensores de banda ancha brindan una lectura mucho más precisa. Como los sensores de banda ancha utilizan componentes electrónicos más precisos, estos medidores son más caros.

Beneficios de la medición de la relación aire-combustible

  • Determinación de la condición del sensor de oxígeno : Un sensor de oxígeno que funciona mal dará como resultado relaciones aire-combustible que responden más lentamente a las condiciones cambiantes del motor. Un sensor dañado o defectuoso puede provocar un mayor consumo de combustible y mayores emisiones de contaminantes, así como una disminución de la potencia y la respuesta del acelerador. La mayoría de los sistemas de gestión del motor detectarán un sensor de oxígeno defectuoso.
  • Reducción de emisiones: mantener la mezcla de aire y combustible cerca de la relación estequiométrica de 14,7: 1 (para motores de gasolina) permite que el convertidor catalítico funcione con la máxima eficiencia.
  • Economía de combustible : una mezcla de aire-combustible más pobre que la relación estequiométrica resultará en un consumo de combustible casi óptimo, con un costo menor por distancia recorrida y la menor cantidad de emisiones de CO 2 . Sin embargo, desde la fábrica, los automóviles están diseñados para operar en la relación estequiométrica (en lugar de ser tan magros como sea posible sin dejar de ser manejables) para maximizar la eficiencia y la vida útil del convertidor catalítico. Si bien es posible que funcione sin problemas en mezclas más delgadas que la relación estequiométrica, los fabricantes deben centrarse en las emisiones y especialmente en la vida útil del convertidor catalítico (que ahora debe ser de 160.000 km (100.000 mi) en vehículos nuevos) como una prioridad más alta debido a las regulaciones de la EPA de EE. .
  • Rendimiento del motor : trazar con cuidado las relaciones aire-combustible en todo el rango de rpm y presión del colector maximizará la potencia de salida, además de reducir el riesgo de detonación .

Las mezclas magras mejoran el ahorro de combustible pero también provocan aumentos bruscos en la cantidad de óxidos de nitrógeno (NOX) . Si la mezcla se vuelve demasiado pobre, es posible que el motor no se encienda, provocando fallas de encendido y un gran aumento de las emisiones de hidrocarburos no quemados (HC). Las mezclas magras se calientan más y pueden causar un ralentí irregular, un arranque y un estancamiento difíciles, e incluso pueden dañar el convertidor catalítico o quemar las válvulas del motor. El riesgo de autoencendido / detonación del motor (detonación) también se incrementa cuando el motor está bajo carga.

Las mezclas que son más ricas que la estequiométrica permiten una mayor potencia máxima del motor cuando se usa 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 del motor individual. Por ejemplo, los motores con inducción forzada, como los turbocompresores y los supercargadores, generalmente requieren una mezcla más rica bajo el acelerador completamente abierto que los motores de aspiración natural. Los motores de inducción forzada pueden sufrir daños catastróficos si se queman demasiado magros 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 un 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 inyectores más grandes o más, y / o aumentando la presión de combustible a un nivel suficiente. Por el contrario, el rendimiento del motor se puede reducir aumentando el abastecimiento de combustible sin aumentar el flujo de aire en 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 bajará. Esto solo 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 monitoreo del motor adecuados y la mezcla de aire y combustible se puede ajustar manualmente.

Los motores fríos también suelen requerir más combustible y una mezcla más rica cuando se 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" el aire correctamente. Mezclas ricas también queman más rápido y disminuyen el riesgo de autoencendido / detonación del motor (detonación) cuando el motor está bajo carga. Sin embargo, las mezclas ricas aumentan drásticamente las emisiones de monóxido de carbono (CO).

Tipos de sensores

Sensor de oxígeno de circonio

La introducción temprana del sensor de oxígeno se produjo a fines de la década de 1970. Desde entonces, la zirconia ha sido el material de elección para su construcción. El sensor de circonio O 2 produce su propio voltaje , cuya producción lo convierte en un tipo de generador. El voltaje variable se mostrará en un osciloscopio como una forma de onda que se asemeja algo a una onda sinusoidal cuando está en control de bucle 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 la mezcla de la relación aire-combustible para el motor de gasolina es la relación teórica aire-combustible a la que todo el combustible reaccionará con todo el oxígeno disponible dando como resultado una combustión completa. En o cerca de esta relación, el proceso de combustión produce el mejor equilibrio entre potencia y bajas emisiones. En la relación aire-combustible estequiométrica, 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 la extensión de la riqueza o delgadez. Es por esta razón que la zirconia O 2 sensor se denomina “banda estrecha” O 2 sensor.

Sensor de oxígeno de titanio

El sensor de titanio O 2 se utilizó a finales de la década de 1980 y principios de la de 1990 de forma limitada. De este sensor semiconductor construcción hace su diferente funcionamiento de la de la zirconia O 2 sensor. En lugar de generar su propio voltaje, la resistencia eléctrica del sensor de titanio O 2 cambia según el contenido de oxígeno de escape. Cuando la relación aire / combustible es rica, la resistencia del sensor es de alrededor de 950 ohmios y más de 21 kiloohmios cuando la mezcla es pobre. Al igual que con el sensor de circonio, el sensor de titanio O 2 también se considera un sensor de O 2 de banda estrecha .

Sensor de banda estrecha

Voltaje del sensor de oxígeno de O 2 de banda estrecha frente a AFR para un motor de gas

Como se mencionó anteriormente, el principal problema con cualquier sensor de O 2 de banda estrecha es que el ECM solo detecta que la mezcla es ligeramente más rica o más magra que la relación estequiométrica. El ECM no mide la relación aire-combustible en funcionamiento fuera del rango estequiométrico. En efecto, solo detecta que la mezcla es más rica o más magra que la estequiometría. Un voltaje del sensor de O 2 inferior a 450 mV provocará un ensanchamiento del pulso del inyector y viceversa. La señal de O 2 de control de combustible cambiante o cíclica resultante (circuito cerrado) es lo que el técnico ve en el osciloscopio al sondear el cable de señal del sensor de O 2 .

Sensores de banda ancha

El sensor de O 2 de “banda ancha” más nuevo resuelve el problema de detección estrecha de los sensores de zirconio anteriores. Estos sensores a menudo se denominan con diferentes nombres, como sensores lambda continuos (lambda que representa la relación aire-combustible ), AFR (sensores de relación aire-combustible), LAF (sensor aire-combustible pobre) y sensor de O 2 de banda ancha . Independientemente del nombre, el principio es el mismo, que es colocar el ECM en una mejor posición para controlar la mezcla de aire / combustible. En efecto, 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 de aire / combustible. Este control es necesario en los nuevos motores de combustión ajustada con niveles de salida 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.

Construcción y operación

El sensor de O 2 de banda ancha tiene un aspecto similar al sensor de O 2 de circonio normal . Sin embargo, su construcción y funcionamiento internos son totalmente diferentes. El sensor de O 2 de banda ancha está compuesto por 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 lo atraviesa para mantener un valor de voltaje establecido o una relación estequiométrica dentro de la cámara de difusión. La celda de la bomba luego descarga el exceso de oxígeno a través del espacio de difusión por medio de la corriente creada en el circuito de la celda de la 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 sube rápidamente y el ECM invierte inmediatamente la polaridad actual para reajustar el voltaje del circuito de la celda de la bomba a su valor estable establecido. La celda de la bomba luego bombea oxígeno a la cámara de monitoreo por medio de la corriente inversa en el circuito de la celda de la 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 inclinarse. Dado que la corriente en el circuito de la celda de la bomba también es proporcional a la concentración de oxígeno o la deficiencia en el escape, sirve como un índice de la relación aire / combustible. El ECM monitorea constantemente los circuitos de corriente de la celda de la bomba, que siempre intenta mantener a un voltaje establecido. Por esta razón, las técnicas utilizadas para probar y diagnosticar el sensor de circonio O 2 normal no se pueden usar para probar el sensor AFR de banda ancha. Estos sensores son dispositivos impulsados ​​por corriente y no tienen una forma de onda de voltaje cíclico. Los procedimientos de prueba, que se analizarán más adelante, son bastante diferentes de los de los sensores de O 2 más antiguos .

Comparación con el sensor de flujo de aire masivo

Se puede pensar que el funcionamiento del sensor AFR es similar al del sensor de flujo de aire de masa de alambre caliente (MAF). 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 el circuito de la celda de la bomba hasta que se alcance nuevamente el nivel de voltaje de operación constante. El cambio de voltaje ocurre muy rápido. La corriente a través del circuito de la bomba también empuja a los átomos de oxígeno hacia adentro o hacia afuera de la cámara de difusión (cámara de monitoreo) que restaura 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.

Pruebas

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 lo pasa al flujo de datos en serie como un PID OBD-II ( no debe confundirse con un controlador PID ). Esta es la razón por la 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 esta razón, la forma más fácil (pero no la única) de probar un sensor AFR es con el escáner.

Al usar un escáner para comunicarse con el ECM, se puede ver la actividad del sensor AFR. Estos datos se muestran normalmente 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 a menudo es de 3.3 V o 2.6 V. Cuando la mezcla de combustible se vuelve más rica (en una aceleración rápida y repentina), el voltaje debe 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 por encima de 1.0 indican una condición pobre, mientras que los números por debajo de 1.0 indican mezclas ricas. El ECM usa 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. Las lecturas de mezcla magra del sensor AFR harán que el ECM agregue combustible, lo que se manifestará como un porcentaje de recorte de combustible a corto plazo positivo (o más positivo).

Algunos técnicos forzarán al motor a funcionar de manera pobre 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, es probable que tenga un problema. Sin embargo, estas pruebas no descartan otros problemas de circuitos o problemas de ECM. Se recomienda un diagnóstico exhaustivo y sistemático.

Temperatura de funcionamiento

Otra diferencia importante entre el sensor AFR de banda ancha y un sensor de circonio O 2 es que tiene una temperatura de funcionamiento de aproximadamente 750 ° C (1380 ° F). En estas unidades la temperatura es muy crítica y por esta razón se emplea un circuito calefactor especial controlado por ancho de pulso para controlar la temperatura del calefactor con precisión. El ECM controla el circuito del calentador.

Ventajas

El amplio rango de operación junto con la operación de acción rápida inherente 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, con el resultado de que se emite 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 en la pulsación del inyector, el ECM ajustará la corriente respectivamente. El resultado final es que no hay corriente (0,00 amperios ) a una relación aire-combustible de 14,7: 1. En este caso, se ve una joroba levemente negativa en el amperímetro con la lectura regresando a 0.00 casi inmediatamente. La corrección de combustible ocurre muy rápidamente.

Practicidades de funcionamiento

Un sensor de banda estrecha tiene una salida no lineal, con rangos de 0.10v a 1.0v, siendo ideal .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 superior a 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 para que el voltaje de salida del sensor de O2 cambie entre aproximadamente 100 y 850/900 mV y, después de un tiempo, el sensor pueda generar un voltaje de conmutación entre aproximadamente 200 y 700/750 mV. para coches con turbocompresor 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), en el que la mezcla de aire y combustible es aproximadamente 14,7 veces la masa de aire a combustible para gasolina. Esta relación mantiene un rendimiento del motor "neutral" (menor consumo de combustible pero potencia del motor decente y mínima contaminación).

El nivel medio del sensor se acerca a los 450 mV. Dado que los convertidores catalíticos necesitan una relación cíclica a / f, el sensor de oxígeno no puede mantener un voltaje fijo, la ECU controla el motor proporcionando la mezcla entre pobre (y rico) de una manera lo suficientemente rápida por medio de un voltaje más corto (o más largo). ) tiempo de señal a los inyectores, por lo que el nivel promedio se convierte, como se indicó, en aproximadamente 450 mV.

Un sensor de banda ancha, por otro lado, tiene una salida muy lineal , 0–5 V, y requiere una temperatura de funcionamiento mucho más alta.

Qué tipo de medidor de relación aire-combustible se utilizará

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.

Ver también

Referencias

enlaces externos