Przepływomierze powietrza, cz. 1

Sterowniki silnika potrafią dostosować skład mieszanki paliwowo-powietrznej do aktualnych warunków jazdy, aby zoptymalizować zużycie paliwa, zachować narzucone przez przepisy normy emisji spalin, a przede wszystkim zapewnić potrzebną moc i moment obrotowy.

Współczesne silniki spalinowe mają bardzo duże możliwości samoregulacji. Sterowniki silnika potrafią dostosować skład mieszanki paliwowo-powietrznej do aktualnych warunków jazdy, aby zoptymalizować zużycie paliwa, zachować narzucone przez przepisy normy emisji spalin, a przede wszystkim zapewnić potrzebną moc i moment obrotowy.

Uzyskanie pożądanych efektów jest możliwe jedynie pod warunkiem skoordynowanej, precyzyjnej regulacji wielu parametrów, wśród których najważniejsze są skład i masa mieszanki paliwa i powietrza. Precyzyjna regulacja ilości paliwa i powietrza jest możliwa tylko pod warunkiem dostarczenia kontrolerowi wiarygodnych danych o rzeczywistej podaży powietrza i paliwa.

Co mierzymy?

Aby dobrać optymalne proporcje, trzeba odwołać się do chemii spalania węglowodorów. Spalanie wymaga obecności paliwa oraz tlenu w takich proporcjach, aby jak najwięcej atomów węgla (a najlepiej wszystkie) mogło połączyć się z tlenem. Jeśli brakuje tlenu, spalanie jest niepełne i powstaje zabójczy tlenek węgla. Co więcej, część paliwa podanego do cylindra nie spala się, tylko jest wyrzucana razem ze spalinami. Spalanie jest więc nieefektywne, ponieważ bezpowrotnie tracimy energię, którą można by uzyskać, spalając te zmarnowane resztki paliwa.

Proporcje paliwa i tlenu mierzy się, określając masę obu składników, i tutaj pojawia się pewien problem. Paliwo ma stałą gęstość określoną normami. Z dużą dokładnością można więc obliczyć masę paliwa podanego do cylindra, znając jego objętość. Jeśli potrafimy zmierzyć prędkość przepływu paliwa przez przewód o znanym przekroju, to mamy wszystkie potrzebne informacje.

Pomiar masy tlenu dostarczanego do mieszanki nie jest tak prosty. Z konieczności trzeba się posługiwać pomiarem pośrednim, a więc mniej dokładnym. Powietrze pobierane z atmosfery jest mieszaniną wielu gazów, między innymi tlenu. Zawartość tlenu wynosi około 21%, ale może się zmieniać w zależności od okoliczności, np. wysokości nad poziomem morza. Co więcej, powietrze (ponieważ jest gazem) nie ma stałej gęstości; zmienia się ona wraz ze zmianami ciśnienia atmosferycznego i temperatury. W konsekwencji pomiar prędkości przepływu powietrza przez przewód o znanej średnicy daje jedynie przybliżoną informację o masie pobranego powietrza, a więc także ilości tlenu. Technicznie najprostsza metoda jest więc najmniej dokładna, co nie znaczy, że nie była stosowana.

Pomiar objętości czy masy?

Historycznie najstarsza metoda kontroli masy powietrza pobieranego przez silnik wykorzystywała fakt powstawania różnicy ciśnień po dwóch stronach przewodu, w którym umieszczano ruchomą przegrodę o niewielkich oporach ruchu. Im większa była prędkość powietrza, tym większa siła działała na wspomnianą przegrodę, odchylając ją od położenia spoczynkowego. Ponieważ masa przegrody (klapy) była znana, a dodatkowo siła pochodząca od przepływającego powietrza była równoważona przez sprężynę o znanych parametrach, można było założyć, że kąt wychylenia klapy odpowiadał prędkości przepływu, a pośrednio także masie przepływającego powietrza. Zmiany kąta wychylenia klapki odpowiadały zmianom rezystancji połączonego z nią potencjometru. Dalej sygnał był przekazywany w postaci zmian natężenia prądu o znanym napięciu zasilającego potencjometr.

Przepływomierze tego rodzaju, przy wszystkich swoich niedostatkach, miały też kilka zalet. Prosta konstrukcja skutkowała niską awaryjnością, a jeśli już doszło do usterki, często można było ją usunąć bez potrzeby wymiany całego podzespołu. Zdarzały się uszkodzenia potencjometru, zatarcie klapy pomiarowej, rozciągnięcie lub zgubienie sprężyn.

Nowsze silniki i lepsze algorytmy sterowania potrzebują dokładniejszych informacji – najlepiej bezpośrednio o masie przepływającego powietrza, bo wtedy pomiar będzie niezależny od zmian ciśnienia, temperatury, wilgotności i innych czynników. Spośród wielu teoretycznie dostępnych metod wybrano dość dokładną, choć nieco kłopotliwą, którą można nazwać kalorymetryczną. Opiera się ona na pomiarze ilości ciepła pobieranego przez powietrze opływające element pomiarowy.

Metodę tę opiszemy w 2. części artykułu.

Fot. Getty Images

Napisz komentarz:

Newsletter: