Mätare för luft-bränsleförhållande

En luft-bränslemätare övervakar luft-bränsleförhållandet i en förbränningsmotor . Kallas även luft-bränslemätare , luft-bränslemätare eller luft-bränslemätare , den läser av spänningen från en syresensor , ibland även kallad AFR-sensor eller lambdasensor.

De ursprungliga smalbandiga syresensorerna blev fabriksinstallerade som standard i slutet av 1970-talet och början av 1980-talet. På senare år har en nyare och mycket mer exakt bredbandssensor, även om den är dyrare, blivit tillgänglig.

De flesta fristående smalbandsmätare har 10 lysdioder och vissa har fler. Även vanliga smalbandsmätare i runda hus med standardmonteringen 52 och 67 mm ( 2 + 1 ⁄ 16 och 2 + 5 ⁄ 8 tum) diametrar, som andra typer av bil-"mätare". Dessa har vanligtvis 10 eller 20 lysdioder. Analoga "nåls" stilmätare finns också tillgängliga.

Som nämnts ovan finns det bredbandsmätare som står ensamma eller är monterade i höljen. Nästan alla dessa visar luft-bränsleförhållandet på en numerisk display eftersom bredbandssensorerna ger en mycket mer exakt avläsning. Eftersom bredbandssensorer använder mer exakt elektronik är dessa mätare dyrare.

Fördelar med mätning av luft-bränsleförhållande

  • syresensorns tillstånd : En felaktig syresensor kommer att resultera i luft-bränsleförhållanden som reagerar långsammare på ändrade motorförhållanden. En skadad eller defekt sensor kan leda till ökad bränsleförbrukning och ökade utsläpp av föroreningar samt minskad effekt och gasrespons. De flesta motorstyrningssystem kommer att upptäcka en defekt syresensor.
  • Minska utsläppen: Genom att hålla luft-bränsleblandningen nära det stökiometriska förhållandet 14,7:1 (för bensinmotorer) kan katalysatorn arbeta med maximal effektivitet.
  • Bränsleekonomi : En luft-bränsleblandning som är magrare än det stökiometriska förhållandet kommer att resultera i nästan optimal bränslekörning, kostar mindre per tillryggalagd sträcka och ger minsta mängd CO 2 -utsläpp . Men från fabriken är bilar konstruerade för att arbeta med det stökiometriska förhållandet (snarare än så magra som möjligt samtidigt som de förblir körbara) för att maximera effektiviteten och livslängden för katalysatorn. Även om det kan vara möjligt att köra smidigt vid blandningar som är magrare än det stökiometriska förhållandet, måste tillverkarna fokusera på utsläpp och särskilt katalysatorns livslängd (som nu måste vara 160 000 km (100 000 mi) på nya fordon [citat behövs]) som en högre prioritet pga . till amerikanska EPA-bestämmelser.
  • Motorprestanda : Att noggrant kartlägga luft-bränsleförhållandena i hela intervallet av varvtal och grenrörstryck kommer att maximera uteffekten och minska risken för detonation .

Magra blandningar förbättrar bränsleekonomin men orsakar också kraftiga ökningar av mängden kväveoxider (NOX) . Om blandningen blir för mager kan motorn misslyckas med att antändas, vilket orsakar feltändning och en stor ökning av oförbrända kolväteutsläpp (HC). Magra blandningar brinner varmare och kan orsaka ojämn tomgång, hård start och stopp, och kan till och med skada katalysatorn eller bränna ventiler i motorn. Risken för gnistslag/ motorknackning (detonation) ökar också när motorn är belastad.

Blandningar som är rikare än stökiometriska tillåter större motoreffekt vid användning av förångat flytande bränsle på grund av att blandningen inte kan nå ett perfekt homogeniserat tillstånd så extra bränsle tillsätts för att säkerställa att allt syre förbränns och producerar maximal effekt. Den ideala blandningen i denna typ av operation beror på den enskilda motorn. Till exempel kräver motorer med forcerad induktion som turboladdare och kompressorer vanligtvis en rikare blandning under vidöppen gas än motorer med naturligt sug. Forcerade induktionsmotorer kan skadas katastrofalt genom att brinna för magert för länge. Ju magrare luft-bränsleblandningen är, desto högre är förbränningstemperaturen inuti cylindern. För hög temperatur kommer att förstöra en motor - smälta kolvarna och ventilerna. Detta kan hända om man portar huvudet och/eller grenrören eller ökar boosten utan att kompensera genom att installera större eller fler injektorer och/eller öka bränsletrycket till en tillräcklig nivå. Omvänt kan motorns prestanda minskas genom att öka bränsletillförseln utan att öka luftflödet in i motorn. Dessutom, om en motor lutar till den punkt där dess avgastemperatur börjar sjunka, kommer dess cylinderhuvudstemperatur också att sjunka. Detta rekommenderas endast i cruising-konfigurationen, aldrig när man accelererar hårt, men blir allt mer populärt i flygkretsar, där lämpliga motorövervakningsmätare är monterade och bränsleluftblandningen kan justeras manuellt.

Kalla motorer kräver också vanligtvis mer bränsle och en rikare blandning när de startas först (se: kallstartsinjektor), eftersom bränslet inte förångas lika bra när det är kallt och därför kräver mer bränsle för att "mätta" luften ordentligt. Rika blandningar brinner också snabbare och minskar risken för gnistslag/ motorknackning (detonation) när motorn är under belastning. Rika blandningar ökar dock utsläppen av kolmonoxid (CO) kraftigt.

Sensortyper

Zirconia syresensor

Den tidiga introduktionen av syrgassensorn kom i slutet av 1970-talet. Sedan dess har zirconia varit det valda materialet för sin konstruktion. Zirconia O 2 -sensorn producerar sin egen spänning , vilket gör den till en typ av generator. Den varierande spänningen kommer att visas på en scope som en vågform som något liknar en sinusvåg i sluten slinga. Den faktiska spänningen som genereras är ett mått på det syre som behövs för att slutföra förbränningen av CO och HC som finns vid sensorspetsen. Det stökiometriska blandningsförhållandet mellan luft och bränsle för bensinmotorer är det teoretiska luft-bränsleförhållandet vid vilket allt bränsle kommer att reagera med allt tillgängligt syre, vilket resulterar i fullständig förbränning. Vid eller nära detta förhållande ger förbränningsprocessen den bästa balansen mellan effekt och låga utsläpp . Vid det stökiometriska luft-bränsleförhållandet är den genererade O2- sensorspänningen cirka 450 mV. Motorkontrollmodulen (ECM) känner igen ett rikt tillstånd över 450 mV-nivån och ett magert tillstånd under det, men detekterar inte omfattningen av rikheten eller magerheten . Det är av denna anledning som zirconia O 2 -sensorn kallas en "smalbandig" O 2 -sensor.

Syresensor i titan

Titan O 2 -sensorn användes under slutet av 1980-talet och början av 1990-talet i begränsad omfattning . Denna sensors halvledarkonstruktion gör att dess funktion skiljer sig från den för zirconia O 2 -sensorn. Istället för att generera sin egen spänning ändras titan O 2 -sensorns elektriska motstånd efter syrehalten i avgaserna. När luft/bränsleförhållandet är rikt är sensorns resistans runt 950 ohm och mer än 21 kilohm när blandningen är mager. Precis som med zirkoniumoxidsensorn anses titan O 2 -sensorn också vara en smalbandig O 2 -sensor.

Smalbandssensor

Smalbandig O 2 syresensorspänning kontra AFR för en gasmotor

Som nämnts tidigare är huvudproblemet med alla smalbandiga O 2 -sensorer att ECM bara detekterar att blandningen är något rikare eller magrare än det stökiometriska förhållandet. ECM mäter inte driftsluft-bränsleförhållandet utanför det stökiometriska området. I själva verket upptäcker den bara att blandningen är rikare eller magrare än stökiometri. En O 2 -sensorspänning som går lägre än 450 mV kommer att orsaka en breddning av injektorpulsen och vice versa. Den resulterande växlande eller cyklande bränslestyrningen (sluten slinga) O 2 -signalen är vad teknikern ser på skopet när han sonderar på O 2 -sensorns signalledning.

Bredbandssensorer

Den nyare "bredbandiga" O 2 -sensorn löser det smala avkänningsproblemet med de tidigare zirkoniumoxidsensorerna. Dessa sensorer kallas ofta för olika namn såsom kontinuerliga lambdasensorer (lambda representerar luft-bränsleförhållande ), AFR (luft-bränsleförhållande sensorer), LAF (mager luft-bränslesensor) och bredbands O 2 -sensor. Oavsett namn är principen densamma, vilket är att sätta ECM i ett bättre läge för att kontrollera luft/bränsleblandningen. I själva verket kan den bredbandiga O 2 -sensorn detektera avgasens O 2 -halt långt under eller över det perfekta luft/bränsleförhållandet. Sådan kontroll behövs på nya magert brinnande motorer med extremt låga utsläppsnivåer. Skärpta utsläppsregler och krav på bättre bränsleekonomi driver denna nyare bränslekontrollteknik.

Konstruktion och drift

Den bredbandiga O 2 -sensorn ser ut som den vanliga zirconia O 2 -sensorn. Dess inre konstruktion och funktion är dock helt annorlunda. Den bredbandiga O 2 -sensorn är sammansatt av två inre skikt som kallas referenscellen och pumpcellen . ECM:s AFR-sensorkretsar försöker alltid hålla ett perfekt luft/bränsleförhållande inuti en speciell övervakningskammare (diffusionskammare eller pumpcellkrets) genom att kontrollera dess ström. AFR-sensorn använder dedikerade elektroniska kretsar för att ställa in en pumpström i sensorns pumpcell. Med andra ord, om luft/bränsleblandningen är mager, blir pumpcellkretsens spänning tillfälligt låg och ECM reglerar omedelbart strömmen som går genom den för att bibehålla ett inställt spänningsvärde eller stökiometriskt förhållande inuti diffusionskammaren. Pumpcellen släpper sedan ut överskottet av syre genom diffusionsgapet med hjälp av strömmen som skapas i pumpcellkretsen. ECM känner av strömmen och breddar injektorns pulsation i enlighet med detta för att fylla på bränsle.

Om å andra sidan luft/bränsleblandningen blir rik, klättrar pumpcellkretsens spänning snabbt högt och ECM vänder omedelbart om strömpolariteten för att justera pumpcellkretsens spänning till dess inställda stabila värde. Pumpcellen pumpar sedan in syre i övervakningskammaren via den omvända strömmen i ECM:s AFR-pumpcellkrets. ECM detekterar den omvända strömmen och ett kommando för injektorns pulsationsreducering utfärdas som för blandningen tillbaka till mager. Eftersom strömmen i pumpcellkretsen också är proportionell mot syrekoncentrationen eller bristen i avgaserna, fungerar den som ett index på luft/bränsleförhållandet. ECM övervakar ständigt pumpcellens strömkretsar, som den alltid försöker hålla vid en inställd spänning. Av denna anledning kan teknikerna som används för att testa och diagnostisera den vanliga zirconia O 2 -sensorn inte användas för att testa den bredbandiga AFR-sensorn. Dessa sensorer är strömdrivna enheter och har ingen cirkulerande spänningsvågform. Testprocedurerna, som kommer att diskuteras senare, skiljer sig ganska mycket från de äldre O 2 -sensorerna.

Jämförelse med massluftflödessensor

AFR-sensorns funktion kan ses som att likna den heta trådmassaluftflödessensorn ( MAF) . Men istället för en MAF-hettråd försöker ECM hålla ett perfekt stökiometriskt luft/bränsleförhållande inuti övervakningskammaren genom att variera pumpcellkretsens ström. Avkänningsdelen i spetsen av sensorn hålls alltid på en konstant spänning (beroende på tillverkare). Om blandningen blir rik kommer ECM att justera strömmen som flyter genom avkänningsspetsen eller pumpcellkretsen tills den konstanta driftspänningsnivån uppnås igen. Spänningsförändringen sker mycket snabbt. Strömmen genom pumpkretsen trycker också längs syreatomerna antingen in i eller ut ur diffusionskammaren (övervakningskammaren ) vilket återställer övervakningskammarens luft/bränsleförhållande till stökiometrin. Även om ECM varierar strömmen, försöker den hålla pumpkretsen vid en konstant spänningspotential.

Testning

Eftersom ECM övervakar den varierande strömmen, omvandlar en speciell krets (även inuti PCM eller Power-train Control Module) strömmen till ett spänningsvärde och skickar den vidare till den seriella dataströmmen som en OBD-II PID ( inte att förväxla med en PID-regulator ). Det är därför det bästa sättet att testa en AFR-sensors signal är att övervaka spänningsomvandlingskretsen, som ECM skickar ut som en AFR-spänning PID. Det är möjligt att övervaka den faktiska AFR-sensorns varierande ström, men förändringarna är mycket små (i det låga milliamperintervallet ) och svåra att övervaka. En andra nackdel med ett manuellt AFR-strömtest är att signaltråden måste kapas eller brytas för att ansluta amperemetern i serie med pumpkretsen. Dagens genomsnittliga clamp-on amperemeter är inte tillräckligt exakt i så liten skala. Av denna anledning är det enklaste (men inte det enda) sättet att testa en AFR-sensor med skannern.

Genom att använda en skanner för att kommunicera med ECM kan man se AFR-sensoraktivitet. Dessa data visas vanligtvis som WRAF (Wide Range Air Fuel) , A/F- eller AFR-sensorspänning. På vissa fordon och skannrar kommer det dock att visas som "lambda" eller "ekvivalensförhållande". Om PID visar en spänningsavläsning bör den vara lika med sensorns referensspänning när luft/bränsleblandningen är idealisk. Referensspänningen varierar från bil till bil, men är ofta 3,3 V eller 2,6 V. När bränsleblandningen blir rikare (vid en plötslig, snabb acceleration) bör spänningen minska. Under magra förhållanden (som retardation) bör spänningen öka.

Om skannerns PID visar ett "lambda" eller " ekvivalensförhållande " bör avläsningen vara 1,0 under stökiometriska förhållanden. Siffror över 1,0 indikerar ett magert tillstånd medan siffror under 1,0 indikerar rika blandningar. ECM använder informationen från sensorerna för att justera mängden bränsle som sprutas in i motorn, så motsvarande förändringar i de kortsiktiga bränsletrim-PID:erna bör också ses. Mager blandningsavläsningar från AFR-sensorn kommer att uppmana ECM att lägga till bränsle, vilket kommer att visa sig som en positiv (eller mer positiv) kortsiktig bränsletrimprocent.

Vissa tekniker kommer att tvinga motorn att gå magert genom att skapa en vakuumläcka nedströms från massluftflödessensorn och sedan titta på skannerns PID för ett svar. Motorn kan tvingas rik genom att tillsätta en uppmätt mängd propan till det inkommande luftflödet. I båda fallen, om sensorn inte svarar, har den troligen ett problem. Dessa tester utesluter dock inte andra kretsproblem eller ECM-problem. Grundlig, systematisk diagnos rekommenderas.

Driftstemperatur

En annan stor skillnad mellan den bredbandiga AFR-sensorn och en zirkoniumoxid O 2 -sensor är att den har en driftstemperatur på cirka 750 °C (1 380 °F). På dessa enheter är temperaturen mycket kritisk och av denna anledning används en speciell pulsbreddsstyrd värmekrets för att styra värmarens temperatur exakt. ECM styr värmekretsen.

Fördelar

Det breda driftsområdet i kombination med den inneboende snabbverkande driften av AFR-sensorn, gör att systemet alltid har stökiometri, vilket minskar en hel del utsläpp. Med denna typ av bränslekontroll är luft/bränsleförhållandet alltid nära 14,7:1. Om blandningen blir något rik justerar ECM pumpkretsens ström för att bibehålla den inställda driftspänningen. Strömmen detekteras av ECM:s detekteringskrets, med resultatet av ett kommando för en minskning av injektorpulseringen. Så snart luft-bränsleblandningen ändras tillbaka till stökiometri, på grund av minskningen av injektorns pulsering, kommer ECM att justera strömmen respektive. Slutresultatet är ingen ström (0,00 ampere ) vid 14,7:1 luft-bränsleförhållande. I detta fall ses en lätt negativ puckel på amperemetern med avläsningen som återgår till 0,00 nästan omedelbart. Bränslekorrigeringen sker mycket snabbt.

Praktiska funktioner

En smalbandssensor har en olinjär utgång, med intervall från 0,10v till 1,0v med 0,450 som idealisk. Smalbandsgivare är temperaturberoende. Om avgaserna blir varmare kommer utspänningen i det magra området att stiga och i det rika området kommer den att sänkas. Följaktligen har en sensor, utan förvärmning, en lägre lean-output och en högre rich-output, möjligen överstigande 1 volt. Temperaturens inverkan på spänningen är mindre i magert läge än i rikt läge.

En "kall" motor får datorn att ändra bränsleluftförhållandet så att utspänningen från o2-sensorn växlar mellan cirka 100 och 850/900 mV och efter ett tag kan sensorn mata ut en switchspänning mellan cirka 200 och 700/750 mV, för turboladdade bilar ännu mindre.

Motorns styrenhet (ECU) när den arbetar i "sluten slinga" tenderar att upprätthålla noll syre (alltså en stökiometrisk balans), där luft-bränsleblandningen är ungefär 14,7 gånger massan av luft till bränsle för bensin. Detta förhållande bibehåller en "neutral" motorprestanda (lägre bränsleförbrukning men ändå anständig motoreffekt och minimal förorening).

Medelnivån för sensorn är nära 450 mV. Eftersom katalytiska omvandlare behöver ett cykliskt a/f-förhållande tillåts syrgassensorn inte hålla en fast spänning, styr ECU:n motorn genom att tillhandahålla blandningen mellan mager (och rik) på ett tillräckligt snabbt sätt med hjälp av kortare (eller längre) ) tid för signal till injektorer, så medelnivån blir som sagt ca 450 mV.

En bredbandssensor har å andra sidan en mycket linjär uteffekt, 0–5 V, och kräver en mycket varmare drifttemperatur.

Vilken typ av luft-bränslemätare som ska användas

Om syftet med luft-bränsleförhållandemätaren också är att upptäcka ett befintligt eller möjligt problem med sensorn ovan för att kontrollera den allmänna blandningen och prestanda, räcker det med en smalbandig luft-bränsleförhållandemätare.

I högpresterande avstämningstillämpningar är bredbandssystemet önskvärt.

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Air–fuel_ratio_meter&oldid=1078327020 "