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El sistema de escape

sistema de escape

Descripción general del sistema de escape

El sistema de escape está diseñado para expulsar los gases de escape del vehículo con la mínima polución posible, atenuar el ruido del motor y para mantener una buena eficiencia en el uso del combustible. Desde hace años, con la introducción del sistema OBD2 de control de emisiones, todos estos gases de escape deben ser controlados, y existen en distintos países del mundo diferentes sistemas de control de emisiones.  Como veremos a continuación, el sistema de control de emisiones de un auto se encarga de controlar de forma activa los gases contaminantes que salen por el tubo de escape.

sistema de escape

Todo este sistema de escape, está formado por un grupo de tuberías que canalizan los gases producidos en la cámara de combustión de los cilindros, cuando se quema el combustible con el oxígeno. Tener en cuenta que el aire que ingresa a la cámara de combustión puede incluir a los vapores de combustible provenientes del cánister haciendo que la mezcla sea mas rica que lo habitual. Los sensores de oxigeno ubicados estratégicamente en estas tuberías  de escape, miden la manera en que se quema el oxígeno en la cámara de combustión así como la eficiencia del convertidor catalítico. El sensor de oxigeno ubicado antes de convertidor catalítico, produce una señal eléctrica que indica la eficiencia del quemado de combustible en los pistones, y ajusta rápidamente la mezcla aire combustible (short term fuel trim), de manera que los gases de escape que lleguen al convertidor catalítico sean tales que este pueda eliminar los gases contaminantes de manera eficiente. Este convertidor catalítico convierte entonces estos gases nocivos como óxidos de nitrógeno (NOx), hidrocarburos (HC) y monóxidos de carbono (CO) en agua (H2O) y dióxido de carbono (CO2).

A la salida del convertidor catalítico, está el segundo sensor de oxigeno que se encarga de medir la eficiencia con la que este convertidor ha realizado su trabajo de re-conversión de gases tóxicos. Luego de este sensor vienen los componentes típicos del sistema de escape como silenciadores, resonadores, tuberías, etc.

El convertidor catalítico o catalizador automotriz

Los gases producidos por la combustión en la cámara de los pistones están formados por moléculas nocivas como ya se indicó, (NOx, HC y CO). La función del convertidor catalítico es sencillamente partir estas moléculas y producir otras no perjudiciales para la salud y el medio ambiente. Esto se lleva a cabo mediante un proceso químico dentro del catalizador, el cual está elaborado en base a platino, paladio y rodio. Además, estos convertidores están elaborados con una estructura eficiente, de manera que los gases de escape que ingresan a este elemento sean expuestos en su totalidad a la reacción química de sus componentes y la conversión de los gases se realice de manera rápida y eficiente.

catalizador

En los vehículos con sistema OBD2, estos convertidores están estructurados en dos etapas, esperando que cada una de ellas elimine los tres tipos de gases nocivos mencionados. La primera etapa es la llamada etapa de reducción, y se encarga de partir las moléculas de NOx (NO y NO2) en Nitrógeno y Oxigeno, usando el platino y el rodio.


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La segunda fase del catalizador es la de oxidación la cual mediante una combinación de platino y paladio, reduce los hidrocarburos no quemados y el monóxido de carbono.

Fallas en el convertidor catalítico

Un convertidor catalítico comienza a trabajar a partir de los 600 °F aproximadamente, y su rango de trabajo normal estaría en los 1400 °F. Cuando la cantidad de combustible no quemado que ingresa al convertidor es muy alta, esta temperatura puede subir bastante y empezar a deteriorar este elemento, reduciendo su vida útil. Llegado un punto en que la conversión catalítica no es buena, lo que es monitoreado por el sensor de oxígeno a la salida de este, la ECU del vehículo lo advierte produciendo un código de falla y encendiendo la luz MIL.

El múltiple de escape

Este elemento del sistema de escape, el primero en la línea se podría decir, es el encargado de canalizar los gases de escape de los cilindros en un único tubo de salida. En los motores en línea existe un único múltiple de escape, pero en los cilindros en V existe uno por cada banco de cilindros. Están hechos de hierro fundido, o en algunos casos de vehículos más modernos de acero o aluminio.

multiple de escape

En muchos casos, es en este elemento del sistema de escape es en donde se encuentra el sensor de oxigeno que monitorea la quema de combustible, al que se le llama comúnmente sensor n°1, ya que el numero 2 es el que se encuentra a la salida del catalizador. Por cada múltiple de escape existe un sensor de oxígeno.

Sensores de oxigeno o Sonda Lambda

En los vehículos con sistemas OBD2 existen dos sensores. La ubicación del sensor de oxigeno es: uno antes y otro después del convertidor catalítico. Veamos cada uno de ellos por separado.

sonda lambda

Sensor de oxígeno (sonda lambda) pre-catalítico

Este sensor está ubicado en el múltiple de escape y produce una señal de voltaje la cual es entregada a la ECU, en donde se informa la riqueza de la mezcla. El objetivo de este sistema retroalimentado es el de obtener una mezcla óptima de aire-combustible en la cámara de combustión, la que se conoce como mezcla estequeométrica, y está establecida en 14,7 partes de aire por una parte de oxígeno.

Como funciona este sensor de oxigeno

Cuando éste sensor de oxigeno advierte demasiado oxígeno en los gases de escape, entiende que la mezcla es demasiado pobre (mucho oxígeno en relación al combustible) y la ECU ajusta sus parámetros para inyectar mas combustible a la misma. Si en cambio, en los gases de escape hay menos oxígeno que el esperado, el sensor informa a la ECU que la mezcla es demasiado rica y esta inyectará menos combustible a la cámara de combustión. Este proceso de ajuste de combustible en función de la cantidad de oxígeno presente en los gases de escape se conoce como ajuste de combustible del sistema OBD2 (Short Term Fuel Trim y Long Term Fuel Trim).

Sensor de oxígeno de 4 cables

Estos sensores de oxigeno comienzan a trabajar a una temperatura de 600 °F aproximadamente al igual que un convertidor catalítico. Por lo general, la propia temperatura de los gases de escape lo llevan a esta condición, pero cuando el motor esta frío esto no sucede.

sensor de oxigeno 4 cables

Debido a esto, y para evitar que en un motor frío no exista monitoreo de oxígeno, la mayoría de los sensores  son pre-calentados mediante una resistencia interna y cuentan con 4 cables en lugar de 2. Dos de estos cables son para la sonda lambda y los otros dos para la resistencia de calentamiento. Entonces, un sensor de oxígeno pre-calentado lleva a la temperatura de trabajo al sensor rápidamente, permitiendo que comience a operar aun con el motor frío.

Fallas en el sensor de oxígeno

Cuando ocurre un problema con la señal del sensor de oxígeno, o bien con el circuito del calentador del mismo, la ECU del vehículo establece un código de falla y enciende la luz MIL.

Aunque no ocurra un evento de falla en un sensor de oxígeno, hay que tomar las precauciones necesarias y remplazarlos de acuerdo a lo que indique el fabricante, ya que un sensor de oxigeno desgastado puede no operar correctamente para  reducir las emisiones a los valores establecidos.

Los sensores de oxigeno tienden a reducir su capacidad de generar voltajes en función del oxígeno presente a medida que pasan lo años y se van acumulando partículas en su sensor. Este tipo de deterioro es producido por partículas de plomo, azufre, aceite, e inclusive algunos aditivos. Como regla general estos sensores deberían ser reemplazados cada 160.000 kilómetros.

Un elevado consumo de combustible es un claro síntoma de falla de un sensor de oxígeno.

Sensor de oxígeno (sonda lambda) post-catalítico

En los vehículos equipados con sistemas OBD2 siempre debe existir un sensor de oxígeno montado a la salida del convertidor catalítico de forma tal de medir la eficiencia del mismo. El funcionamiento de este sensor es el mismo que el sensor montado aguas arriba en la línea de escape, vale decir, monitorea la presencia de oxígeno en los gases. La señal de voltaje producida por este sensor es entregada a la ECU del vehículo para indicar mezcla rica o pobre.

convertidor catalitico

La manera en que la ECU establece la eficiencia del convertidor catalítico, es comparado las señales de ambos sensores, antes y después del convertidor catalítico. Si la señal de voltaje del sensor a la salida del mismo es muy parecida a la señal producida por el sensor antes del convertidor, significa que el mismo no está realizando su trabajo, es decir, no está limpiando los gases del escape y por lo tanto debería reemplazarse. Un convertidor catalítico en buen estado debería hacer que la señal del sensor de oxígeno a su salida produzca muy poca variación. Llegado un punto en que la eficiencia del convertidor parezca ser muy baja, la ECU del vehículo establecerá un código de falla y encenderá la luz MIL.

Todos estos códigos de falla pueden ser extraídos con un escaner automotriz.

Tipos de sensores de oxigeno

Existen varios tipos de sonda lambda, pero en general la función que cumplen es la ya mencionada. Una de las diferencias principales entre ellos es la cantidad de cables, en donde un sensor precalentado tiene 4 cables, frente a uno sin resistencia pre calentadora que tiene solo 2 cables.

sonda lambda de 4 cables

Silenciador

La función del silenciador es atenuar los ruidos producidos por el proceso de combustión. La manera en que se lleva a cabo esto  es mediante una cámara de sonido, en donde se hace que las ondas de ruido reboten en la cámara y vayan perdiendo energía sonora.

silenciador

Algunos silenciadores utilizan fibra de vidrio en su interior para absorber parte de esta energía. Dentro del silenciador, esta cámara está formada por una seria de tubos perforados, y afinados de tal forma que las ondas de sonido se cancelen unas a otras.

Escape

Finalmente, y unido al silenciador se encuentra el tubo de escape que es por donde salen los gases a la atmósfera.

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