空氣濕度對熱膜式空氣流量計計量誤差的影響

    0 引言

    在過(guò)去的時(shí)代，汽車(chē)是一個(gè)以機為主體、以電為輔的一個(gè)交通工具，但是現在汽車(chē)以及成為了一種高度自動(dòng)化和電氣化的一種新型的交通工具�，F在對于汽車(chē)的全面控制基本上可以用一些比較專(zhuān)業(yè)的計算機來(lái)完成，在這當中，電子控制汽油噴射系統是比較具有代表性的一種。其主要工作原理就是，首先就是通過(guò)計量器來(lái)對發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣量進(jìn)行計算，然后在根據相應的進(jìn)氣量來(lái)決定相關(guān)汽油的噴射量，從而來(lái)使得發(fā)動(dòng)機達到一個(gè)最佳的控制效果。所以從另一方面就可以看出，其實(shí)發(fā)動(dòng)機的工作效率的高低，主要就是取決于流量計對于進(jìn)氣量的精準程度�，F在的空氣流量計當中，使用最為普遍的就是熱膜式的空氣流量計。

    1 空氣流量計的分類(lèi)

    在現代技術(shù)的發(fā)展下，空氣流量計根據工作原理的不同，主要有兩種類(lèi)型：流量感應式空氣流量計和壓力感應式空氣流量計。

    1.1 流量感應式空氣流量計

    在流量感應式空氣流量計中，有熱線(xiàn)熱膜式空氣流量計、動(dòng)片式空氣流量計和卡曼渦旋式空氣流量計三種。在出現的時(shí)間先后上，動(dòng)片式空氣流量計是出現最早的空氣流量計；隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，發(fā)展到了現在的熱線(xiàn)熱膜式空氣流量計。在電壓輸出方式上，動(dòng)片式空氣流量計是與進(jìn)氣量成反比的流量計，卡曼渦旋式空氣流量計和熱線(xiàn)熱膜式空氣流量計與其相反，都與進(jìn)氣量成正比關(guān)系�？刂凭�度上，動(dòng)片式的精確度比較差，其他兩種方式都能計量相對精確的空燃比。在通道阻力，瞬太響應等方面，熱線(xiàn)熱膜式和卡曼渦旋式的工作狀態(tài)都是比較好的，能及時(shí)準確的完成空氣的計量工作，它們計量的是進(jìn)氣質(zhì)量的流量�？墒窃诳�曼渦旋式和熱線(xiàn)熱膜式空氣流量計中，后者更經(jīng)濟更實(shí)惠，符合國家倡導的節能和環(huán)保工作，是現今發(fā)動(dòng)機中運用比較廣泛的一種空氣流量計。萬(wàn)事沒(méi)有十全十美的，熱線(xiàn)熱膜式空氣流量計在對進(jìn)氣量進(jìn)行測量的時(shí)候，受空氣濕度影響較大。

    1.2 壓力感應式空氣流量計

    壓力感應式空氣流量計與流量感應式空氣流量計相比，數據計量的精確度比較差，因此它主要運用于電噴系統中。壓力感應式空氣流量計是先測定發(fā)動(dòng)機節氣門(mén)后方的絕對壓力，通過(guò)壓力測試空氣密度，加之發(fā)動(dòng)機的轉速反算發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣量來(lái)進(jìn)行空氣流量的計量的一種工作方式。

    2 空氣流量計的工作原理

    2.1 壓力感應式空氣流量計的工作原理

    壓力感應式空氣流量計是通過(guò)測量發(fā)動(dòng)機節氣門(mén)后方的壓力來(lái)計算出空氣質(zhì)量的方式。所以在壓力感應式空氣流量計中，完成的主要工作就是壓力的測量。壓力感應式測量壓力的主要元件是壓力傳感器，可見(jiàn)它的工作原理就是通過(guò)壓力傳感器對壓力的測量，把壓力值傳輸給電子控制單元（ECU），ECU通過(guò)壓力和發(fā)動(dòng)機轉速計算出空氣流量計。壓力傳感器由壓力轉換元件，濾清器、信號放大裝置和外殼組成。而壓力轉換元件又由4個(gè)電阻采用惠斯頓電橋方式連接，當壓力轉換元件兩側受到的壓力不一樣時(shí)，電橋的兩端就會(huì )出現電壓差，電壓差通過(guò)信號放大裝置把數值進(jìn)行放大，最后輸送到電子控制單元。

    2.2 熱膜式空氣流量計的工作原理

    流量感應式空氣流量計的方法有幾種，從使用的范圍看，熱膜式空氣流量計使用的比較廣泛，因此我們主要對熱膜式空氣流量計的工作原理進(jìn)行討論。熱膜式空氣流量的結構大致為：金屬護網(wǎng)包裹著(zhù)氣流溫度傳感器，熱膜貼于氣流溫度傳感器上，在金屬護網(wǎng)外安置我們的控制電路，當空氣進(jìn)入進(jìn)氣管后，熱膜與空氣接觸，是氣流溫度傳感器工作，最后把數值傳導給電子控制單元，計算出我們的空氣流量值。熱膜式空氣流量計中的主要工作部件就是我們的氣流溫度傳感器，而氣流溫度傳感器的主要部件熱膜電阻，熱膜電阻是由流量傳感部件和熱電阻組合而成，流量傳感部件和熱電阻都是設計成鉑膜的樣子的電阻組裝而成。熱膜電阻安裝與傳感器內的一個(gè)長(cháng)方形護套內，護套又放在傳感器的空氣通道上，這樣可以使我們的熱膜電阻與空氣接觸進(jìn)行空氣計量。熱膜式空氣流量計的氣流溫度傳感器的兩端安裝有兩個(gè)圓形的接頭，這個(gè)兩個(gè)圓形接頭同時(shí)又與我們的空氣進(jìn)氣道想通�？諝獾娜肟诜较虬惭b有一個(gè)防護網(wǎng)，以防止外界物質(zhì)進(jìn)入傳感器損壞傳感器。熱膜電阻在進(jìn)行空氣計量的時(shí)候，對于電阻表面的清潔度要求相對比較高，如果表面附有污染物，會(huì )影響進(jìn)入管道內空氣的溫度，降低空氣計量的精確性，所以，在傳感器中的護套外需要安裝空氣過(guò)濾裝置，以阻止空氣中的污染影響進(jìn)氣的溫度從而影響測量精度。同時(shí)，為了降低進(jìn)氣空氣溫度變化對測量準確性的影響，我們在熱膜電阻旁，空氣進(jìn)氣入口方安裝了一個(gè)鉑膜式的溫度補償電阻，減少空氣溫度對熱膜電阻的影響。在熱膜式空氣流量計量中，傳感器電阻也是采用惠斯頓電橋方式連接，當熱膜電阻兩端無(wú)電壓差時(shí)，我們的氣流溫度傳感器就保持在一個(gè)恒定的溫度值；當空氣進(jìn)入我們的氣流管道后，通過(guò)溫度補償電阻和熱膜電阻后，使兩個(gè)電阻的溫度降低，電阻值變小。當電阻值減小的時(shí)候，熱膜電阻的恒定溫度值就發(fā)生變化，控制單元就會(huì )開(kāi)始工作，輸送電流給熱膜電阻，使熱膜電阻再次保持恒定溫度�？刂茊卧�輸出的熱量輸送與電子控制單元后，就能準確計量出空氣流量值。

    3 熱膜式空氣流量計的特征

    3.1 濕度

    熱膜式空氣流量計受空氣濕度的變化，計量的數值精確度也會(huì )產(chǎn)生變化。以干燥的空氣為基準，當空氣濕度增加的時(shí)候，空氣計量的誤差也會(huì )增加，因為濕空氣能提高空氣的導熱效果。

    3.2 溫度

    熱膜式空氣流量計受空氣溫度的變化，計量的數值精確度會(huì )有所變化。以常溫溫度為23℃為準，當空氣溫度升高的時(shí)，空氣計量的誤差會(huì )逐漸增強；當空氣溫度降低時(shí)，空氣計量的誤差也會(huì )逐漸增強。產(chǎn)生這種現象的主要原因是因為熱輻射和空氣的特性。

    4 空氣流量計的重要性

    在具有電子噴射系統的汽車(chē)上，空氣流量計具有非常重要的作用，它是電子噴射系統進(jìn)行油噴控制的基本信號，同時(shí)也是起決定性作用的信號。對于汽車(chē)的混合動(dòng)力比，發(fā)動(dòng)機的污染性、穩定性以及動(dòng)力性空氣流量計都將產(chǎn)生非常重要的影響。

    如果空氣流量計的信號在發(fā)生故障不能工作的時(shí)候，電控單元就會(huì )故障的代碼進(jìn)行存儲，同時(shí)在這個(gè)時(shí)候節氣門(mén)位置的信號就將代替空氣流量計信號對空氣的進(jìn)氣量進(jìn)行測量，這也是電控單元的主要功能即失效保護的功能。但是，在信號的強度上，好一些的空氣流量計的信號還是節氣門(mén)位置的信號是有很大的差距的，好的空氣流量計在精度上面要高些，這樣的話(huà)就會(huì )使得發(fā)動(dòng)機的各項性能就會(huì )好一些，相反的節氣門(mén)位置的信號精度就不是很高，所以在發(fā)動(dòng)機的各項性能上也會(huì )差一些。

    當空氣流量計的信號去先偏差或者是不準確的時(shí)候，電控單元在進(jìn)行電控噴油的時(shí)候就會(huì )按照相應的偏差或者是不準確的信號來(lái)進(jìn)行，這樣就會(huì )使得混合氣體的不均勻，要不是出現過(guò)稀要不就是出現過(guò)濃的情況，這樣就會(huì )使得汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機在運行的時(shí)候動(dòng)力不足或者是穩定性不高，這樣的情況在一些國產(chǎn)車(chē)上是經(jīng)常出現的。熱膜式的空氣流量計在功能的設計上不具有自己清潔的功能，常常就會(huì )因為一些臟的物體從而影響了空氣流量計的信號準確性。傳感器的信號不準確帶來(lái)的危害比損壞的傳感器帶來(lái)的危害都要大一些。

    5 空氣濕度對于熱膜式空氣流量計計量的誤差影響

    在對空氣的濕度對于熱膜式的空氣流量計計量的誤差影響的時(shí)候，主要可以通過(guò)下面的這兩個(gè)實(shí)驗來(lái)進(jìn)行相關(guān)的證實(shí)，主要目的就是為了要證明兩個(gè)方面的問(wèn)題，首先就是看看空氣的濕度對于熱膜式的空氣流量計計量的結果是不是有著(zhù)很直接的關(guān)系，其次就是找出空氣的濕度對于熱膜式的空氣流量計計量誤差的一些相關(guān)的規律。

    5.1 空氣的濕度對于熱膜式的空氣流量計的敏感性的實(shí)驗

    這個(gè)實(shí)驗的主要目的就是要去證實(shí)空氣的濕度對于熱膜式的空氣流量計計量的一些影響。通過(guò)相關(guān)實(shí)驗的主要目的和本人測試所的現有條件做以下的實(shí)驗相關(guān)準備。首先應該要有接受實(shí)驗的對象那就是電噴式發(fā)動(dòng)機一臺，然后就是還應該要有顯示、檢測以及記錄實(shí)驗對象的數據和反應的解碼器和相關(guān)配套的計算機，最后還應該要有一臺半自動(dòng)的加濕器，這樣方便在實(shí)驗的過(guò)程當中來(lái)對發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣的濕度進(jìn)行調節。

    在所有的準備工作完成以后，就可以把解碼器的相關(guān)測試數據線(xiàn)連接在電噴式發(fā)動(dòng)機的相關(guān)診斷插座之上，然后就是就解碼器的電源線(xiàn)接好，在電源線(xiàn)接好之后就要將相關(guān)的數據線(xiàn)和配套的計算機連接起來(lái)。在所有的線(xiàn)路連接好之后，就可以把發(fā)動(dòng)機的點(diǎn)火開(kāi)關(guān)打開(kāi)，然后就啟動(dòng)計算機進(jìn)行解碼器的測試系統，然后對連接的線(xiàn)路進(jìn)行相關(guān)的檢查，直到系統一切正常為止。最后就是要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)起并且進(jìn)入到解碼器的測試系統，然后對一些相關(guān)的參數進(jìn)行選定測試，其中就包括了大氣的壓力、油噴的時(shí)間、發(fā)動(dòng)機的轉速、進(jìn)氣的溫度等，然后就要仔細的對動(dòng)態(tài)的數據進(jìn)行觀(guān)察。然后就是將之前準備的半自動(dòng)加濕器調節到精細的霧狀狀態(tài)，朝發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣口中噴入一些水霧，然后對解碼器的動(dòng)態(tài)數據變化進(jìn)行仔細的記錄，對噴霧前后的發(fā)動(dòng)機供油的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行詳細的觀(guān)察，對相關(guān)的數據變化要及時(shí)的記錄并且加以保存。

    這個(gè)實(shí)驗可以根據噴霧的不同來(lái)分為兩次，第一次實(shí)驗的時(shí)候，主要就是采用比較微細的水霧噴入發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣口，通過(guò)相關(guān)的數據記錄圖表可以看出，發(fā)動(dòng)機的噴油時(shí)間在噴霧的出現之后而一步步的加大，而在這個(gè)時(shí)候，由于發(fā)動(dòng)機的噴油時(shí)間在增加，所以使得發(fā)動(dòng)機的轉速也在進(jìn)一步的提高。盡管在實(shí)際的轉速上已經(jīng)超過(guò)了相應的目標轉速，但是控制系統對于進(jìn)氣量進(jìn)行了一個(gè)誤判，這樣就使得供油量超過(guò)了應該具有的空燃比，所以發(fā)動(dòng)機的運行結果還是使得發(fā)動(dòng)機的實(shí)際轉速一直在增加，而并不能按照相應的目標轉速進(jìn)行下降。

    而在進(jìn)行第二次試驗的時(shí)候，對于噴霧主要就是較大的噴霧的形式來(lái)進(jìn)行的，因為控制的不穩定，就造成了發(fā)動(dòng)機在噴入大量的水霧之后，發(fā)動(dòng)機件的轉速快速的下降，最終的結果就是導致了發(fā)動(dòng)機的熄火。這樣的實(shí)驗結果主要就是因為在噴入了大力的水霧之后，發(fā)動(dòng)機判斷出進(jìn)氣量與實(shí)際的并不相吻合，大量的熱量都被水霧給帶走了，就使得發(fā)動(dòng)機誤以為有很大的進(jìn)氣量，從而對于供油量就加大了，但是因為混合氣太濃了，所以就造成了發(fā)動(dòng)機的燃燒被破壞并且最終導致了發(fā)動(dòng)機熄火。

    5.2 空氣的濕度對于熱膜式的空氣流量計計量誤差的相關(guān)性的實(shí)驗

    這個(gè)實(shí)驗的主要目的就是要證實(shí)空氣的濕度對于熱膜式的空氣流量計計量誤差度量的相關(guān)聯(lián)系。通過(guò)相關(guān)實(shí)驗的主要目的和本人測試所的現有條件做以下的實(shí)驗相關(guān)準備。首先還是應該要有接受實(shí)驗的對象那就是電噴式發(fā)動(dòng)機一臺，然后就是還應該要有顯示、檢測以及記錄實(shí)驗對象的數據和反應的解碼器和相關(guān)配套的計算機，最后還應該要有一臺半自動(dòng)的加濕器，這樣方便在實(shí)驗的過(guò)程當中來(lái)對發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣的濕度進(jìn)行調節。除此之外應該要有一個(gè)檢測環(huán)境濕度的濕度計以及封閉的空間比較大的一個(gè)實(shí)驗室。在所有的準備工作做好之后，可以同上面的實(shí)驗一樣，先要進(jìn)行相關(guān)的調試直到，實(shí)驗的測試系統一切正常。

    在一切的準備工作完成之后，就可以開(kāi)始具體的實(shí)驗，首先是要把半自動(dòng)的加濕器調節到精細的霧狀狀態(tài)，然后朝著(zhù)測試發(fā)動(dòng)機的實(shí)驗室噴入水霧，還有就是要把實(shí)驗室的濕度調節到一個(gè)固定不變的值。最后就是要啟動(dòng)發(fā)動(dòng)起并且進(jìn)入到解碼器的測試系統，然后對一些相關(guān)的參數進(jìn)行選定測試，其中就包括了大氣的壓力、油噴的時(shí)間、發(fā)動(dòng)機的轉速、進(jìn)氣的溫度等，然后就要仔細的對動(dòng)態(tài)的數據進(jìn)行觀(guān)察。然后就是將之前準備的半自動(dòng)加濕器調節到精細的霧狀狀態(tài)，朝發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣口中噴入一些水霧，然后對解碼器的動(dòng)態(tài)數據變化進(jìn)行仔細的記錄，對噴霧前后的發(fā)動(dòng)機供油的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行詳細的觀(guān)察，對相關(guān)的數據變化要及時(shí)的記錄并且加以保存。在一次實(shí)驗完成之后，就可以對實(shí)驗室的濕度進(jìn)行相應的改變，然后在進(jìn)行重復的實(shí)驗，在有需要的時(shí)候，可以打開(kāi)實(shí)驗室的排氣扇從而來(lái)更新實(shí)驗室的空氣，同時(shí)還要對加濕器進(jìn)行調節，從而使得實(shí)驗室的濕度保持在需要的濕度值。

    在進(jìn)行空氣的濕度對于熱膜式的空氣流量計計量誤差的相關(guān)性的實(shí)驗的時(shí)候，主要通過(guò)了對濕度的調整來(lái)得出不同的結果。濕度的調節分別是32%、57%、71%、82%、93%，具體的分析數據如表1。

表1

    如果來(lái)按照發(fā)動(dòng)機的額定工況來(lái)計算的話(huà)，那么發(fā)動(dòng)機每小時(shí)因為空氣濕度造成的額外的噴油量就可按照下面的公式來(lái)進(jìn)行計算：

    Qi=（6000×2×ti/1000）×Qs=12tiQ（smL）

    在公式當中Qi表示發(fā)動(dòng)機在額定的工況下每分鐘的噴油量，Ti就表示單缸在額定工況的情況下噴油量的持續時(shí)間，Qs就表示單個(gè)噴油器每秒鐘的噴油量。如果每年按照300個(gè)工作日，每個(gè)工作日按照8小時(shí)計算的話(huà)，那么在空氣濕度不相同的情況之下，發(fā)動(dòng)機的噴油量誤差就可以由表2來(lái)表示。

表2

    將具有一定電阻的Rh放在空氣流當中，那么它在單位時(shí)間內的一個(gè)熱量損失就可以用下面這個(gè)公式來(lái)進(jìn)行計算：H=hs（TH-Tc）。在這個(gè)公式當中，h表示電阻的導熱率，s表示發(fā)熱元件的一個(gè)表面積，TH表示電阻的溫度，而Tc則是表示空氣的溫度。而又因為：

    在這個(gè)公式當中λ=空氣的導熱率，ρ=空氣的密度，μ=空氣的粘性系數，u=空氣的流動(dòng)速度，Cp=空氣比熱，S=空氣流通的通道面積，m=0.3，n=0.38-0.5之間。把上面的公式代入下面的公式當中就相應的可以得到：

    從而熱元件產(chǎn)生的熱量就可以得到：W=R_HI²_H

    最后通過(guò)熱平衡的守則，就可以讓發(fā)熱量和散熱量相等，也就是W=H，令：

    所以相應的就可以得到：

    那么在空氣濕度變化的情況下，上面公式當中的K是一個(gè)常數，還有電阻率都不會(huì )受到空氣濕度的變化而變化，空氣和熱元件之間的溫度差基本上也不會(huì )有上面變化，也就是說(shuō)只有KT才是主要的誤差影響因素。

    通過(guò)上面的一些公式以及第二個(gè)實(shí)驗空氣的濕度對于熱膜式的空氣流量計計量誤差的相關(guān)性的實(shí)驗就可以看出，當空氣當中有水氣的混合之后，相應的導熱率就會(huì )增加，同時(shí)空氣的比熱在這個(gè)時(shí)候也會(huì )相應的加大，而同時(shí)空氣粘性系數則會(huì )相應的減小，而因為m-n＜0，所以在這個(gè)時(shí)候系統的電流就會(huì )隨著(zhù)空氣的濕度的增加從而加大，這樣就造成了空氣的濕度也測試的結果是呈現一個(gè)正向的誤差。

    6 結束語(yǔ)

    發(fā)動(dòng)機進(jìn)氣量的精確計算是電子噴射系統當中一個(gè)比較核心的技術(shù)，從而可以對發(fā)動(dòng)機的供油量有一個(gè)比較精確的計算。在現在廣泛應用的空氣流量計當中，主要就是流量感應式以及壓力感應式空氣流量計，在流量感應式的空氣流量計當中，因為熱膜式的空氣流量計在生產(chǎn)工藝和綜合性能方面都比較的出色，從而被應用的最為廣泛。隨著(zhù)社會(huì )科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現在的熱膜式空氣流量計在設計方面基本上都已經(jīng)開(kāi)始具有了自動(dòng)清潔的能力，而且對于空氣溫度對于熱膜式的空氣流量計的影響也在隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展而變的基本上是可以忽略不計了，而在進(jìn)行測試的時(shí)候，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和對于熱膜式空氣流量計理論的研究，空氣壓力對于測試的精度也不會(huì )很大的影響，這樣就使得熱膜式的空氣流量計在一定程度上克服了自身的一些設計缺陷，使得自己的優(yōu)勢更加的明顯。

    綜上所述，熱膜式的空氣流量計有著(zhù)自身的一些優(yōu)勢，但是對在濕度方面對計量誤差的影響還是不能忽視的，隨著(zhù)空氣濕度的增加，熱膜式空氣流量計在計量的誤差上就會(huì )增加，而且通過(guò)相關(guān)的數據看見(jiàn)是向著(zhù)正方向偏移的，這樣就可以增加傳感器的濕度來(lái)進(jìn)行一定的校正，這樣就可以讓電子噴射系統得到進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。