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空气湿度对热线式空气流量计计量误差的影响

通过对热线式空气质量流量计的构造和基本工作原理的分析,探讨了空气湿度对热线式空气流量计计量误差的影响,对进一步提高该流量计的精确度提供了一定的参考依据。 现代电喷发动机进气空气流量计是一个非常重要的测量参数。电控汽油喷射系统能否正确地将空燃比控制在所要求的技术范围内,决定了发动机的动力性、经济性和排放性能指标。而汽油机空燃比的调节是采用调整与进气量相匹配的喷油量来实现的因此,进气空气流量的测量是控制空燃比的基础。 

                        

目前,各种不同类型的电控汽油喷射系统中所使用的进气空气流量测量方法可分为两大类:一类是间接测量法,即测量进气歧管绝对压力,然后通过空气密度和发动机转速来计算出进气空气质量,由于此方法属于间接测量,其精度较低;第二类是直接测量法,可分为体积流量测量和质量测量两种。体积流量测量有卡门涡旋式空气流量计和翼板式空气流量计,质量流量测量有热线式空气流量计和热膜式空气流量计。喷油量是根据进气的空气质量决定喷油量的,所以,体积流量的测量结果还要乘以通过测量大气压力和大气温度计算出的空气密度。这样其进气空气质量测量达到了一定的精度。用热线或热膜式质量流量计测量的直接是进气空气质量流量,不需要进行计算或修正,测量精度较高。热线式空气流量计的热丝在使用中易被污染,影响传热。使测量精度降低,热膜式李气流量计的热膜在使用中不易被污染,可以保持较高的测量精度。

热线式空气流量计的基本构造及工作原理

热膜式空气流量计传感器属于量热式传感器,根据托马斯(Thomas)提出的“气体的放热量或吸热量与该气体的质量流量成正比”[1]的理论,利用外热源对传感器探头加热,气体流动时会带走一部分热量。通过测量因气体流动而带走的热量值来反映气体的质量流量。

1.1 热线式空气质量流量计的结构

热线式空气流量传感器的结构如图1所示[6]。作为发热体的热丝是用直径为Ø70μm的铂丝制成的,其张紧装于管道内部。设计时就使其比进气温度高120C。在温度传感器上还设有空气温度补偿电阻。它是由氧化铝陶瓷基片印刷的铂膜形成的,它与精密电阻一起设置在管道内。为防止附着在热丝上的灰尘等造成性能下降。没有灰尘燃烧电路,在点火开关置于断开挡时,在一定的条件下,将热丝加热1000C、1s,烧掉灰尘等附着物。因为是用铂做发热元件的,所以响应性好。

与热线式类似的还有热膜式空气流量传感器,其是采用平面形铂薄膜电阻器作为发热元件。制造方法是:在氧化铝基片上蒸发出的铂的薄膜,通过图形制作形成梳状电阻,再调节到所要求的电阻值,此后做成保护膜,再接好电板引线。与热丝相比,热膜式发热元件的响应性稍差,但因为它是通过图形法制成的,所以其电阻值较高,消耗的电流小,可以做到小形、轻巧此外,因其发热元件是平面形的,从游侧观察时,可设法使其投影面积做的很小,这样设置在计量通道内时就可以减少附着物。即提高了抗污浊性。

1.2 工作原理

在进气通道上设有用电流加热的铂金属丝(热丝),为了保证热丝的温度为一定值,就必须控制加热电流,由此可以测定出空气流量。当气流通过已被加热的热丝时,热丝就要变冷,气流速度越高,从热丝上带走的热量就越多,即热丝上被夺取的热量是一个变化值。热丝式空气流量传感器就是利用电加热热丝,并把气流速度变换成电信号实现检测的。在环境、空气温度保持恒定的情况下,热线的热平衡取决于三个因素,即气流、电流和热线温度。为了建立热线的热平衡,有两种方案:一种是恒电流方案,气流速度改变时热线温度相应地改变,使得散失的热量不变;另一种是恒电阻方案,即恒温差方案,气流速度改变时热线温度相应地改变,使得散失的热量也改变。因为恒电流方案的热线式空气质量流量传感器受电阻加热时间常数的影响,由此会引起响应滞后,所以采取恒电阻方案。热线的电阻由温度决定,所以恒电阻要求热线恒温度。在空气温度已定的情况下,若热线恒温度,则热线与空气为恒温度差。

恒热差控制电路如图2所示[6],它是由发热元件RH、空气温度补偿电阻RT(温度传感器)分别作为要素的惠斯顿电桥以及具有电流放大作用的运算放大器构成的。当发热元件的温度高于空气温度时,桥式电路才能达到平衡,通过向桥式电路输入加热电流才能保持发热元件的温度为恒定值。由此,信号取样电阻Rs的两端才能输出与进气流量相应的电压。

2 湿度对其测量精度的影响分析

目前的空气流量计基本上都是设法对进气温度及大气压的变化分别加以修正,但都忽略了湿度的影响。尤其对于热线或热膜式空气流量计而言,其影响将更加明显。

由托马斯质量流量计的工作原理,可得下式[1]:

E=Cp△TQm (1)

式中:E— 在单位时间内消耗的电能;

               Cp— 气体的定压比热容;

               △T— 电热丝与气体的温度差;

               Qm— 空气质量流量。

在强制对流的冷却作用下,发热元件在单位时间里散失的热量Q与质量流量Qm 之间的函数关系,可用下式来表示[4]:

式中:K— 常数;

               λ— 空气的热导率;

               μ— 空气的粘性系数;

               Cp— 气体的定压比热容。

由于组成惠斯顿电桥各电阻的阻值均很大,其消耗的电能极少,因此不妨设所消耗的电能与发热元件所散失的热量相当。联立式(1)、(2),可得:

上式中λ、μ、Cp均随着空气湿度的变化而改变,现假设在湿度不同,其他条件均相同的条件下的Q m、λ、μ、Cp的值分别为Q'm、λ'、μ' 、C'p则其测量的相对误差可表示为:

将式(3)代入(4)可得:

含有水蒸气的潮湿空气的热导率λ随着湿度的增大而增大,其运动粘度系数μ则有减小的趋势,而其比热容Cp变化不大,因此由式(5)可看出,随着湿度的增加,反映在流量误差上是相乘的效果,即随着湿度的增加,流量计量的误差就越大,其将实际进气量加以扩大,致使油耗增高。具体效果如图3所示。

总之,热线式空气流量计具有不受大气压力的影响、瞬时响应灵敏等特点,但在湿度不同,其他条件均相同的情况下,随着湿度的增加,流量计计量的误差就会增大,且是向正方向偏移,这一特性可通过增加湿度传感器加以校正,这将使电喷系统得到进一步完善。

点击次数:  更新时间:2018-09-17  【打印此页】  【关闭

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