Расход топлива в автомобиле оценивается по количеству, потраченному на работу двигателя, которое определяется как разность объемов прямого и обратного потоков. Бензиновые двигатели с электронным дозированием подачи топлива используют расход воздуха в качестве основного управляющего параметра.
Расход воздуха определяется по его прохождению через впускной патрубок двигателя.
Расход воздуха во впускном трубопроводе двигателя и в тракте наддува Соотношение масс воздуха и топлива является важнейшим фактором в химическом процессе сгорания, поэтому фактически производится измерение массы расходуемого воздуха, хотя может применяться процедура, использующая определение объема и динамического давления. Максимальный измеряемый массовый расход воздуха находится в диапазоне 400-1200 кг/ч, в зависимости от мощности двигателя. По усредненной оценке, работы на холостом ходу современных двигателей отношение между минимальным и максимальным расходом составляет от 1:90 до 1:100. Из-за строгих требований к составу выхлопа и расходу необходимо обеспечивать уровень точности 1-2 % от измеренного значения. Применительно к диапазону измерения — это может означать точность измерения 10-4, необычайно высокую для автомобилей.
Воздух же всасывается двигателем не постоянно, а в момент открывания впускных клапанов. По этой причине расход воздуха, особенно при широко открытой дроссельной заслонке, сильно колеблется в точке измерения, которая всегда расположена во впускном трубопроводе между воздушным фильтром и дроссельной заслонкой. Из-за резонансов впускного трубопровода пульсация в нем (прежде всего в 4-цилиндровых двигателях, где индукционные или нагнетальные фазы не перекрываются) настолько сильна, что даже возникают кратковременные обратные потоки. Их необходимо обнаруживать точным расходомером.
Измерение расхода
Среда с однородной плотностью р протекает через трубопровод постоянной площадью поперечного сечения А со скоростью v, которая, в основном, является постоянной во всех точках поперечного сечения трубы (турбулентный поток). Результирующие условия определяются как:
объемный расход Qv = v*A и массовый расход Qм = p*v*A.
Если в трубопроводе установить измерительную шайбу, сжимающую поток, то, в соответствии с уравнением Бернулли, возникает перепад давления Ар, связывающий массу и объем расхода:
Ар = const*p* v 2 = const*Qv * Qм.
Измерительные шайбы позволяют отслеживать расход в относительном диапазоне 1:10; шайбы переменного сечения позволяют это делать в значительно большем диапазоне соотношений.
Датчики расхода воздуха подразделяются на датчики объемного расхода воздуха и датчики массового расхода воздуха.
Датчики объемного расхода воздуха подразделяются на ультразвуковые датчики и потенциометрические.
Ультразвуковые датчики расхода воздуха. В соответствии с принципом траектории вихря Кармана завихрения воздушного потока периодично появляются позади препятствия на постоянном расстоянии. На периферии (стенки трубы или канала) частота завихрений пропорциональна расходу. Недостатком является неточность измерения за счет пульсации потока.
Ультразвуковая процедура измерения расхода может быть использована для определения времени t прохождения акустической волны через измеряемую среду, например, воздух, под углом α (рис. 3.34).
Одно измерение выполняется навстречу потоку, второе — по направлению потока на одном и том же участке длиной l. Разница между временами прохождения пропорциональна объемному расходу.
1 и 2 — приемопередатчики; l — измерительный участок; S — сигнал управления передачи; t — время прохождения; Qv — объемный расход; α – угол.
Потенциометрический датчик расхода воздуха представлен на рис. 3.35.
Принцип действия расходомера основан на так называемом сопротивлении среды. Он измеряет усилие, действующее на заслонку 8, которую поток воздуха, поступающего в двигатель, заставляет поворачиваться на определенный угол, преодолевая усилие спиральной пружины. Момент закручивания пружины выбран так, чтобы заслонка создавала незначительную потерю напора. Для предотвращения колебаний напорной заслонки под действием потока воздуха, проходящего по впускному трубопроводу, особенно на режиме холостого хода, предусмотрена демпфирующая камера 5, в которой расположена заслонка 6, имеющая такую же рабочую поверхность, как и заслонка напора воздуха 8. Объем демпфирующей камеры, а также зазор между заслонкой 6 демпфирующей камеры и корпусом подобраны так, чтобы напорная заслонка была способна отслеживать быстрые изменения расхода воздуха при разгоне.
Соединенный с осью напорной заслонки потенциометр преобразует механическое перемещение напорной заслонки в изменение электрического напряжения, которое передается в блок управления для точной дозировки топлива. Обводной канал 9 под напорной заслонкой служит для прохода воздуха на холостом ходу. Для определения массы воздуха с помощью расходомера (по объемному расходу воздуха) в ЭБУ решается уравнение, где в качестве исходных параметров используются значения сигналов от четырех датчиков: разрежения во впускном коллекторе, положения дроссельной заслонки, температуры охлаждающей жидкости и температуры воздуха во впускном коллекторе.
Учитывая, что расходомеры этого типа имеют подвижные детали, надежность их невысока и они в настоящее время имеют ограниченное применение.
Датчики массового расхода воздуха. Термоамонеметрические датчики подразделяются датчики с нагреваемой нитью и нагреваемой пленкой. Преимущество таких расходомеров – отсутствие механически подвижных деталей, что определяет их большую долговечность.
Обобщенная схема термоамонеметрического датчика с нагреваемой нитью представлена на рис. 3.36. Его устанавливают между воздушным фильтром и дроссельной заслонкой, и он определяет массу всасываемого воздуха в кг/час. Датчики с нагреваемой нитью и с нагреваемой пленкой имеют один и тот же принцип работы. Расположенный в воздушном потоке и нагреваемый электрическим током проводник (платиновая нить или токопроводящая полимерная пленка) охлаждается обтекающим его воздухом.
Нить нагревается электрическим током, и температура ее поддерживается постоянной. Если нить охлаждается, то проходящий через нее ток увеличивается до тех пор, пока температура нити не восстанавливается до первоначальной величины. Изменение силы тока воспринимается в блоке управления и является измеряемым параметром для определения расхода всасываемого воздуха. Встроенный датчик температуры служит для того, чтобы температура всасываемого воздуха не искажала результаты измерений.
Поступающий поток воздуха обтекает нагретый электрическим током проводник, который встроен в измеритель воздушной массы. Специальная электронная схема управления поддерживает постоянную температуру проводника относительно температуры поступающего воздуха.
Электронная измерительная схема датчика определяет массовый расход воздуха путем измерения мощности электрического тока, необходимой для поддержания заданной температуры нагреваемых элементов. Информацию о расходе воздуха датчик выдает в виде частотного сигнала (2…10 кГц) или в виде постоянного напряжения. Чем больше расход воздуха, тем выше частота сигнала или выходное напряжение датчика. Блок управления использует информацию от датчика массового расхода воздуха для формирования длительности импульса, определяющего время открытого состояния форсунок.
Замкнутая цепь управления в корпусе датчика поддерживает постоянную разность температур между тонкой платиновой нитью или тонкопленочным резистором и проходящим воздушным потоком. Проходящий через датчик воздух охлаждает нагреваемые элементы. Ток, необходимый для поддерживания этой разницы, обеспечивает довольно точный, хотя и нелинейный, показатель массового расхода воздуха. Ввиду замкнутой конструкции, этот тип расходомера воздуха позволяет отслеживать колебания расхода в миллисекундном диапазоне. Однако неспособность датчика распознавать направление потока может привести к незначительной ошибке в измерении, если во впускном трубопроводе возникает сильная пульсация.
Платиновая нить в расходомере массы воздуха функционирует и как нагревательный элемент, и как температурный датчик. Термодинамическое состояние воздуха (давление и температура) и его скорость изменяют режим охлаждения нити и, следовательно, изменяют ее сопротивление. Для получения стабильных и надежных характеристик в течение длительной эксплуатации после каждой фазы активной работы (когда зажигание отключено) с поверхности нагретой (приблизительно до 1000°С) проволочной нити должны испаряться все накапливаемые отложения (послесвечение).
При использовании платиновой нити нагревательный элемент расположен на обратной стороне пластины основания с соответствующим температурным датчиком на лицевой стороне. Это ведет к некоторому запаздыванию срабатывания конструкции. Для уменьшения влияния нагревательного элемента на параметры резистора температурной компенсации (Rk), в керамической подложке делают лазерный срез. Для улучшения характеристик используется послесвечение нагревательного элемента.
Расходомер воздуха с пленочным термоанемометром (рис. 3.37). Датчик расхода массы воздуха, в котором используется, нагрев пленки, содержит все измерительные и управляющие электронные элементы на одной подложке. Расходомеры такого типа, вмонтированные в измерительный патрубок, 2 применяются на большинстве современных автомобилей. Он устанавливается во впускном канале за воздушным фильтром. Возможен также вариант встроенного измерительного патрубка, который устанавливается внутри воздушного фильтра.
Воздух, входящий во впускной коллектор, обтекает чувствительный элемент датчика 5, который вместе с вычислительным контуром 3 является основным компонентом датчика.
Входящий воздух проходит через обводной канал 7 за чувствительным элементом датчика. Чувствительность датчика при наличии сильных пульсаций потока может быть улучшена применением соответствующей конструкции обводного канала, при этом определяются также и обратные токи воздуха. Датчик соединяется с ЭБУ через выводы 1.
Принцип работы массового расходомера воздуха заключается в следующем. Микромеханическая диафрагма датчика 5 на чувствительном элементе 3 нагревается центральным нагревающим резистором (рис. 3.38). При этом имеет место резкое падение температуры на каждой стороне зоны нагрева 4.
Распределение температуры по диафрагме регистрируется двумя температурозависимыми резисторами, которые устанавливаются симметрично до и после нагревающего резистора (точки измерения М1 и М2). При отсутствии потока воздуха на впуске температурная характеристика 1 одинакова на каждой стороне измерительной зоны (T1 = T2). Как только поток воздуха начинает обтекать чувствительный элемент датчика, распределение температуры по диафрагме меняется (характеристика 2).
На стороне входа воздуха температурная характеристика является более крутой, поскольку входящий воздух, обтекающий эту поверхность, охлаждает ее. Вначале на противоположной стороне (сторона, наиболее близко расположенная к двигателю) чувствительный элемент датчика охлаждается, но затем воздух, подогреваемый нагревательным элементом, нагревает его. Изменение в температурном распределении (ΔT) приводит к перепаду температур между точками измерения М1 и М2.
Тепло рассеивается в воздухе и, следовательно, температурная характеристика чувствительного элемента датчика является функцией массового расхода воздуха. Этот метод отличается от ранее использовавшихся тем, что для получения выходного сигнала не требуется измерять ток подогрева. Разница температур, таким образом, есть мера массового расхода воздуха и при этом она не зависит от абсолютной температуры протекающего потока воздуха. Кроме этого, разница температур является направленной. Это означает, что массовый расходомер не только регистрирует количество входящего воздуха, но также и его направление.
Расходомер воздуха посылает цифровой сигнал измеренной массы воздуха на блок управления двигателя в форме частотного сигнала. По длине периодов импульсов блок управления двигателя может определить измеренную массу воздуха (рис. 3.39).
В датчик может также быть вмонтирован температурный датчик для выполнения вспомогательных функций. Он располагается в пластмассовом корпусе и не является обязательным для измерения массового расхода воздуха.