Sonda lambda

En estas últimas semanas hemos ido hablando sobre los mecanismos de los vehículos modernos incorporan para reducir en la medida posible la huella medioambiental que cada automóvil deja en nuestro entorno. Empezamos hablando del catalizador, una cavidad del tubo de escape donde los gases contaminantes reaccionan químicamente para convertirse en otros menos peligrosos.

Para su correcto funcionamiento, el catalizador necesita que el gas resultante de la combustión tenga la composición correcta. En particular, es importante que contenga la cantidad de oxigeno justa y necesaria para que las reacciones químicas sean las necesarias. El factor lambda nos dice precisamente la cantidad de oxígeno en el gas. ¿Pero cómo sabe nuestro vehículo si el factor lambda es el correcto? Pues analizándolo mediante la sonda lambda.

La sonda lambda es un instrumento de medición que funciona mediante comparación. Es decir, comparando dos gases, nos dice cuál de ellos tiene mayor concentración de oxigeno, y en que proporción.

Por lo tanto, para funcionar necesita una muestra de referencia, que contenga una cantidad de oxígeno conocida. A partir de dicho valor conocido, la sonda podrá comparar y nos dirá la concentración de oxígeno de lo que queremos analizar, en este caso el gas del escape.

En principio, sería posible utilizar como referencia una cavidad de aire de composición conocida encerrada dentro del motor. Pero si esta muestra resultara contaminada, entonces la medición sería muy poco fiable. Por ese motivo, normalmente se utiliza el aire atmosférico como referencia.

Sabemos que la atmósfera contiene aproximadamente un 20,9% de oxígeno. Ojo, en altura, la densidad de la atmósfera es mucho menor (lo podemos notar en las montañas), así que la cantidad total de oxígeno en altura es menor. Pero la proporción se mantiene aproximadamente constante hasta una altura de 100km sobre el nivel del mar, y no hay muchas carreteras tan altas.

Como la proporción de oxígeno es muy constante, el aire atmosférico es una referencia excelente. Pero, ¿cómo lo hace la sonda para comparar la composición del aire y la del gas de escape?

Diagrama de la sonda lambda

La sonda lambda consta de dos electrodos de platino situados a ambos lados de una cerámica, normalmente formada por dióxido de circonio e itrio. Dicha cerámica, llamada electrolito, tiene la propiedad que permite el paso de iones, pero no el de electrones. Uno de los electrodos se sitúa en el flujo de gas del escape, mientras que el otro queda en contacto con el aire ambiental.

Cuando una molécula de oxígeno pasa cerca de uno de los electrodos de platino, éste le cede electrones. Como ahora el oxígeno tiene electrones de sobra, queda con carga negativa.

Este nuevo ion de oxígeno negativo puede pasar a través de la cerámica hacia el otro lado de la cerámica. Una vez allí, entra en contacto con el segundo electrodo, devolviendo los electrones sobrantes para volver a convertirse en oxígeno neutro. Para cerrar el circuito, el electrón debería volver al primer electrodo. Pero, como hemos dicho, la cerámica no permite el paso de electrones. Así que su único camino de vuelta es a través de un cable eléctrico que una ambos electrodos.

Al circular por ese circuito externo, los electrones generan una corriente eléctrica, que podemos medir. Al llegar al final del circuito, vuelven al primer electrodo donde quedan disponibles para ionizar más átomos de oxigeno, repitiendo el proceso cíclicamente.

En principio, este proceso puede ocurrir en ambas direcciones. Pero si cerca de uno de los electrodos hay mucho más oxígeno que en el otro, entonces cerca de ese electrodo se podrán ionizar más átomos, y la corriente de iones que salen de ese lado será mayor.

Es decir, para saber cuál de los dos lados de la sonda contiene más oxígeno, simplemente tenemos que mirar en qué dirección se produce la corriente eléctrica. De hecho, cuanto mayor sea la corriente eléctrica, mayor será la tensión eléctrica (diferencia de potencial) que se crea entre ambos electrodos.

Así, por lo tanto, basta con poner un voltímetro entre ambos electrodos para saber el valor del factor lambda. Naturalmente, se diseñan para que su precisión sea mayor cerca del valor ideal, λ = 1. La respuesta de la sonda no es proporcional, si el factor lambda varía sólo un poquito por encima o por debajo de 1, entonces el voltaje de la sonda cambia bruscamente.

Por este motivo, este tipo de mecanismos a menudo recibe el nombre de sonda de salto. Gracias a este hecho, nuestro coche puede ajustar muy bien la composición de la mezcla: una pequeña desviación de la composición ideal dará un gran cambio en el voltaje. Como el cambio en la señal es grande, será fácil de detectar, permitiendo corregir la riqueza de la mezcla con prontitud.

Un problema importante de este tipo de sonda es que la cerámica de dióxido de circonio sólo permite el paso de iones de oxígeno cuando alcanza los 316ºC, es decir, necesita ser calentada. En los modelos antiguos, la cerámica obtenía dicha temperatura del propio calor del motor.

No obstante, podía necesitar varios minutos para alcanzar la temperatura de trabajo, por lo que durante este tiempo coche puede contaminar bastante, incluso dañar el catalizador. Las sondas modernas incluyen una fuente de calor interna para acelerar el proceso.

Con esto, creo que hemos terminado de estudiar todos los componentes importantes que intentan reducir la contaminación de nuestros vehículos. Sin duda, algo muy importante si queremos vivir en este planeta durante mucho tiempo más.

En Circula seguro | El catalizador, Factor lambda
Fotos | VirtualErn, Jaume

  • Excelente saga de artículos sobre el catalizador. Ahora estaría bien alguna noción de los filtros anti partículas; imprescindibles para que los motores diesel cumplan con las normas euro 4 (y 5, por supuesto).