Was ist ein Luftmassenmesser im Auto?
Der Luftmassenmesser, auch Luftmengenmesser genannt, ist einer der wichtigsten Sensoren in Motoren mit elektronischer Kraftstoffeinspritzung. Er wandelt den angesaugten Luftstrom in ein elektrisches Signal um und sendet dieses an das elektronische Steuergerät (ECU). Dieses Signal dient als Grundlage für die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung und misst den in den Motor eingesaugten Luftstrom.
Bei einer elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzanlage ist der Luftmengenmesser, der die vom Motor angesaugte Luftmenge misst, eine der wichtigsten Komponenten für die Regelgenauigkeit des Systems. Ist die Regelgenauigkeit des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F) des vom Motor angesaugten Gemisches mit ±1,0 vorgegeben, beträgt der zulässige Fehler des Systems ±6 % bis 7 %. Verteilt man diesen zulässigen Fehler auf die einzelnen Systemkomponenten, so beträgt der zulässige Fehler des Luftmengenmessers ±2 % bis 3 %.
Das Verhältnis von maximalem zu minimalem Ansaugluftvolumenstrom eines Benzinmotors (max/min) liegt bei Saugmotoren zwischen 40 und 50 und bei Turbomotoren zwischen 60 und 70. Innerhalb dieses Bereichs sollte der Luftmengenmesser eine Messgenauigkeit von ±2 bis 3 % gewährleisten. Der in der elektronisch gesteuerten Kraftstoffeinspritzung eingesetzte Luftmengenmesser muss nicht nur über einen weiten Messbereich präzise arbeiten, sondern auch ein exzellentes Ansprechverhalten aufweisen, pulsierende Luftmengen erfassen können und eine einfache Signalverarbeitung ermöglichen.
Entsprechend den unterschiedlichen Eigenschaften des Luftmassenmessers wird das Kraftstoffregelungssystem in zwei Arten unterteilt: die L-Regelung, die das Ansaugvolumen direkt misst, und die D-Regelung, die das Ansaugvolumen indirekt über den Unterdruck im Ansaugkrümmer und die Motordrehzahl ermittelt. Im D-Regelungsmodus speichert der Mikrocomputer im ROM das Ansaugluftvolumen für verschiedene Betriebszustände unter Berücksichtigung der Motordrehzahl und des Drucks im Ansaugrohr. Ausgehend von den in den jeweiligen Betriebszuständen gemessenen Werten für Ansaugdruck und Drehzahl sowie dem im ROM gespeicherten Ansaugluftvolumen berechnet der Mikrocomputer den Kraftstoffverbrauch. Der in der L-Regelung verwendete Luftmassenmesser entspricht im Wesentlichen einem herkömmlichen industriellen Durchflusssensor. Er ist jedoch für die rauen Bedingungen im Automobilbereich ausgelegt und muss zudem auf abrupte Durchflussänderungen beim Betätigen des Gaspedals sowie auf ungleichmäßige Luftströmungen, die durch die Form des Ansaugkrümmers vor und nach dem Sensor verursacht werden, präzise reagieren.
Das ursprüngliche elektronische Kraftstoffeinspritzsystem nutzte keine Mikrocomputer, sondern eine analoge Schaltung. Damals wurde ein Ventil-Luftmengenmesser verwendet, doch mit dem Einsatz von Mikrocomputern zur Steuerung der Kraftstoffeinspritzung kamen auch verschiedene andere Arten von Luftmengenmessern zum Einsatz.
Der Aufbau des Ventil-Luftstromsensors.
Der Ventilluftmengenmesser ist am Benzinmotor zwischen Luftfilter und Drosselklappe montiert. Seine Funktion besteht darin, die Ansaugluftmenge zu erfassen und die Messwerte in elektrische Signale umzuwandeln, die anschließend an den Mikrocomputer weitergeleitet werden. Der Sensor setzt sich aus zwei Teilen zusammen: einem Luftmengenmesser und einem Potentiometer.
Betrachten wir zunächst die Funktionsweise des Luftmengenmessers. Die vom Luftfilter angesaugte Luft strömt zum Ventil. Das Ventil schließt in der Position, in der das Ansaugvolumen durch die Rückstellfeder ausgeglichen ist. Das heißt, der Öffnungsgrad des Ventils ist direkt proportional zum Ansaugvolumen. Auf der Drehachse des Ventils ist außerdem ein Potentiometer angebracht. Der Schieber des Potentiometers dreht sich synchron mit dem Ventil. Der Spannungsabfall am Schiebewiderstand wird genutzt, um den Öffnungsgrad der Messplatte in ein elektrisches Signal umzuwandeln, das anschließend in die Steuerschaltung eingespeist wird.
Kaman-Wirbelluftstromsensor
Um die Nachteile von Ventil-Luftstromsensoren zu überwinden – also den Messbereich zu erweitern, ohne die Messgenauigkeit zu beeinträchtigen und Schleifkontakte zu eliminieren – wurde ein kleiner und leichter Luftstromsensor entwickelt: der Karman-Wirbel-Luftstromsensor. Der Karman-Wirbel ist ein physikalisches Phänomen. Die Detektionsmethode des Wirbels und die elektronische Steuerschaltung haben keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit. Diese wird allein durch die Querschnittsfläche des Luftkanals und die Größenänderung der Wirbelsäule bestimmt. Da der Sensor ein elektronisches Signal (Frequenz) ausgibt, kann beim Einspeisen in die Steuerschaltung des Systems auf einen AD-Wandler verzichtet werden. Der Karman-Wirbel-Luftstromsensor liefert somit ein Signal, das sich ideal für die Mikrocomputerverarbeitung eignet. Dieser Sensor bietet drei Vorteile: hohe Messgenauigkeit, lineare Signalausgabe und einfache Signalverarbeitung. Seine Leistung bleibt auch nach langjährigem Einsatz konstant. Da er den Volumenstrom misst, ist keine Korrektur für Temperatur und Luftdruck erforderlich.
Wenn ein Kármánscher Wirbel entsteht, ändert er sich mit der Strömungsgeschwindigkeit und dem Druck. Das Grundprinzip der Strömungserkennung besteht darin, diese Geschwindigkeitsänderung im Wirbel zu nutzen. Die Signale sind Rechteckwellen und digitale Signale. Je größer das Ansaugvolumen, desto höher die Frequenz des Kármánschen Wirbels und damit auch die Frequenz des Ausgangssignals des Luftmassenmessers.
Der temperatur- und druckkompensierte Luftdurchflusssensor dient hauptsächlich der Durchflussmessung verschiedener Medien in industriellen Rohrleitungen, wie z. B. Gas, Flüssigkeit und Dampf. Er zeichnet sich durch geringen Druckverlust, einen großen Messbereich und hohe Präzision aus und ist bei der Volumenstrommessung unter Betriebsbedingungen nahezu unempfindlich gegenüber Parametern wie Dichte, Druck, Temperatur und Viskosität des Fluids. Da er keine beweglichen mechanischen Teile enthält, ist er äußerst zuverlässig und wartungsarm. Die Geräteparameter bleiben über lange Zeit stabil. Das Gerät verwendet piezoelektrische Spannungssensoren, die hochzuverlässig sind und in einem Betriebstemperaturbereich von -10 °C bis +300 °C eingesetzt werden können. Es verfügt über analoge Standardsignale und digitale Impulssignale als Ausgangssignale und lässt sich daher problemlos in digitale Systeme wie Computer integrieren. Es handelt sich um ein relativ fortschrittliches und ideales Durchflussmessgerät.
Der größte Vorteil von Luftstromsensoren besteht darin, dass der Messkoeffizient nicht von den physikalischen Eigenschaften des Messmediums beeinflusst wird und sich von einem typischen Medium auf andere übertragen lässt. Aufgrund der signifikanten Unterschiede in den Durchflussbereichen von Flüssigkeiten und Gasen variieren jedoch auch die Frequenzbereiche stark. In der Verstärkerschaltung zur Verarbeitung von Wirbelstraßensignalen ist das Durchlassband des Filters unterschiedlich, ebenso wie die Schaltungsparameter. Daher können nicht dieselben Schaltungsparameter zur Messung unterschiedlicher Grenzflächen verwendet werden.
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