Funcionamiento Detallado de la Sonda Lambda y el Catalizador en Motores

Funcionamiento y Propósito de la Sonda Lambda

La función principal de la sonda lambda (o sensor de oxígeno) es medir la cantidad de oxígeno presente en los gases de escape. Esto permite a la unidad de control del motor (ECU) determinar si la mezcla aire/combustible con la que opera el motor es pobre (exceso de aire) o rica (exceso de combustible) en cada momento.

Su funcionamiento se basa en la diferencia de concentración de oxígeno entre los gases de escape y el aire exterior (atmósfera). En función de esta diferencia, la sonda genera y envía una señal eléctrica con un voltaje específico a la ECU:

• Mucho oxígeno (Mezcla Pobre): Voltaje bajo, aproximadamente 0,1 voltios.
• Oxígeno adecuado (Mezcla Estequiométrica): Voltaje medio, alrededor de 0,45 voltios.
• Poco oxígeno (Mezcla Rica): Voltaje alto, aproximadamente 0,9 voltios.

La sonda lambda opera eficientemente a altas temperaturas, típicamente alrededor de los 600 °C. Dependiendo del vehículo y su sistema de control de emisiones, puede incorporar una o dos sondas:

1. Sonda Pre-Catalizador: Siempre se instala una a la salida del colector de escape, antes del catalizador. Es la principal responsable de medir el oxígeno residual de la combustión para el ajuste de la mezcla.
2. Sonda Post-Catalizador: Si existe una segunda sonda, se ubica después del catalizador. Su función es monitorizar la eficiencia del catalizador, verificando que esté tratando los gases correctamente.

Interpretación de las Lecturas de la Sonda Lambda y Ajuste de Mezcla

La ECU interpreta el voltaje de la sonda lambda para ajustar la mezcla aire/combustible. Las tres condiciones principales detectadas son:

• Mezcla Pobre

  Hay demasiado oxígeno en los gases de escape. Esto provoca una menor diferencia de concentración de oxígeno entre los electrodos de la sonda, generando una tensión baja (0,1 voltios). La ECU interpreta esto como una mezcla pobre y corrige hacia una mezcla rica, aumentando el tiempo de inyección en motores de gasolina. En motores diésel, puede ajustar la inyección o la recirculación de gases de escape (EGR).

• Mezcla Rica

  Hay poco oxígeno en los gases de escape. Esto causa una mayor diferencia de concentración, generando una tensión más alta (0,9 voltios). La ECU interpreta esto como una mezcla rica y corrige hacia una mezcla pobre, disminuyendo el tiempo de inyección en motores de gasolina o ajustando parámetros correspondientes en diésel.

• Mezcla Estequiométrica

  Es la proporción ideal aire/combustible. En esta condición, existe una cantidad específica de oxígeno residual en los gases de escape (aproximadamente 2%), lo que genera una tensión intermedia (0,45 voltios). La ECU interpreta que la dosificación es la adecuada y mantiene los ajustes actuales, realizando solo pequeñas variaciones para mantener este equilibrio.

Funcionamiento del Catalizador de Tres Vías

En el catalizador de tres vías, los gases de escape nocivos se tratan mediante reacciones químicas de oxidación y reducción al entrar en contacto con los metales nobles que contiene (Platino, Paladio y Rodio).

• Proceso de Oxidación

  Los gases interactúan con el Platino (Pt) y el Paladio (Pd).

  • El monóxido de carbono (CO), un gas tóxico, reacciona con el oxígeno sobre el Platino para formar dióxido de carbono (CO₂), menos nocivo.
  • Los hidrocarburos sin quemar (HC), que contribuyen al smog, reaccionan con el oxígeno sobre el Paladio para transformarse en dióxido de carbono (CO₂) y agua (H₂O).

• Proceso de Reducción

  Principalmente relevante cerca de la mezcla estequiométrica, los óxidos de nitrógeno (NOx), causantes de lluvia ácida y problemas respiratorios, reaccionan sobre el Rodio (Rh). Esta reacción reduce los NOx a nitrógeno molecular (N₂), el componente principal del aire.

Funcionamiento del Catalizador Acumulador de NOx (LNT/NSC)

Algunos sistemas, especialmente en motores diésel o gasolina de inyección directa que operan con mezcla pobre, utilizan un catalizador acumulador de NOx (también conocido como Lean NOx Trap - LNT o NOx Storage Catalyst - NSC) para controlar estas emisiones.

Fase de Acumulación (Operación con Mezcla Pobre)

Para poder acumular los NOx:

1. El óxido nítrico (NO) presente en los gases de escape se oxida primero a dióxido de nitrógeno (NO₂) sobre el Platino (Pt) del catalizador.
2. Luego, el NO₂ reacciona con un compuesto de almacenamiento, comúnmente óxido de bario (BaO), formando nitrato de bario (Ba(NO₃)₂). El NOx queda así atrapado químicamente en el catalizador.

Este proceso de acumulación es efectivo en un rango de temperatura de 250 °C a 500 °C. El catalizador se satura de NOx tras un periodo de funcionamiento con mezcla pobre, típicamente entre 60 y 90 segundos, dependiendo de las condiciones de operación.

Fase de Regeneración (Operación Temporal con Mezcla Rica)

Cuando el catalizador está cerca de la saturación (detectado por un sensor de NOx o estimado por la ECU):

1. La ECU inicia la fase de regeneración cambiando temporalmente el motor a una mezcla rica.
2. La presencia de agentes reductores como el monóxido de carbono (CO) y los hidrocarburos (HC) en los gases de escape (debido a la mezcla rica) provoca la descomposición del nitrato de bario (Ba(NO₃)₂) almacenado.
3. Esto libera los NOx atrapados y regenera el material de almacenamiento (BaO).
4. Simultáneamente, los NOx liberados son reducidos a nitrógeno inocuo (N₂) por la acción catalítica de los metales preciosos (como el Rodio) en presencia de CO y HC.
5. Los productos finales de la regeneración (N₂, CO₂, H₂O) son expulsados por el escape.

Este ciclo de acumulación y regeneración permite controlar las emisiones de NOx incluso cuando el motor opera predominantemente con mezcla pobre.