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Misuratore di rapporto aria benzina

Il misuratore di rapporto aria/benzina monitora il rapporto aria-carburante di un motore a combustione interna. Lo strumento legge il voltaggio di un sensore a ossigeno, talvolta chiamato sensore lambda, che può essere un sensore a banda stretta o a banda larga.

Caratteristiche

I primi sensori a ossigeno a banda stretta divennero di serie alla fine degli anni ’70 e all’inizio degli anni ’80. Oggi sono disponibili anche i più accurati sensori a banda larga, per quanto siano meno economici. La maggior parte dei misuratori a banda stretta è dotata di 10 LED, alcuni di più. Sono comuni anche i misuratori a banda stretta in alloggiamento tondo, con i diametri standard di 2 1/16″ e 2 5/8″, oltre ad altri tipi di misuratori. Questi modelli in genere hanno 10 o 20 LED. Sono disponibili misuratori a banda larga stand alone o montati all’interno di alloggiamenti. Praticamente tutti i misuratori mostrano il rapporto aria-carburante su un display numerico. I misuratori a banda larga consentono una misura molto più accurata perché utilizzano componenti elettroniche più sofisticate e sono, pertanto, più costosi. Tra i maggiori vantaggi abbiamo:

  • Determinare le condizioni del sensore dell’ossigeno
    se il sensore dell’ossigeno funziona male, i rapporti aria-carburante risponderanno più lentamente alle variazioni delle condizioni del motore. Un sensore danneggiato o difettoso può aumentare il consumo di carburante e le emissioni inquinanti, oltre a diminuire la potenza e la risposta della valvola a farfalla.
  • Ridurre le emissioni
    mantenere il valore della miscela aria-carburante vicino a quello del rapporto stechiometrico di 14.7:1 (per i motori a benzina) permette alla marmitta catalitica di funzionare con la massima efficienza.
  • Risparmio di carburante
    una miscela aria-carburante più povera rispetto al rapporto stechiometrico ottimizzerà il consumo di carburante, con un costo minore per km percorso e minori emissioni di CO2. Tuttavia, le auto sono impostate dal produttore perché funzionino secondo il rapporto stechiometrico (piuttosto che con la miscela più povera che si possa utilizzare mantenendo l’auto guidabile), per ottimizzare l’efficienza e la durata della marmitta catalitica. Anche se è possibile far funzionare l’auto utilizzando miscele più povere rispetto al rapporto stechiometrico, i produttori devono focalizzarsi sulla riduzione delle emissioni e sulla durata della marmitta catalitica (che oggi deve essere di almeno 160.000 Km per i nuovi veicoli), per rispettare le regolamentazioni.
  • Performance del motore
    fare con attenzione le mappature del rapporto aria-carburante per tutti i regimi di rotazione e di pressione del collettore aumenterà la potenza e ridurrà il rischio di detonazione. Miscele povere diminuiscono i consumi di carburante ma causano anche bruschi aumenti della concentrazione di ossidi di azoto. Se la miscela diventa troppo povera, il motore potrebbe non avviarsi, causando anche un grosso aumento delle emissioni di idrocarburi non bruciati. Miscele più povere bruciano a una temperatura più alta e potrebbero causare problemi nell’avviamento del motore, e persino danni alla marmitta catalitica o alle valvole del motore. Le miscele povere aumentano anche il rischio di denotazione. Miscele più ricche rispetto al rapporto stechiometrico permettono di ottenere picchi di potenza maggiori quando si utilizzino carburanti liquidi vaporizzati, per via dell’effetto di sottrazione del calore che si produce durante l’evaporazione del carburante. Questo aumenta la quantità dell’ossigeno che entra nel motore, permettendo di bruciare più carburante e quindi di sviluppare maggiore potenza. La miscela ideale dipende dal tipo di motore. Ad esempio, motori con induzione forzata come quelli con turbocompressori e supercompressori richiedono tipicamente una miscela più ricca e possono subire danni catastrofici se si utilizza una miscela povera per troppo tempo. Più povera la miscela aria-carburante, maggiore sarà la temperatura di combustione all’interno del cilindro.  Una temperatura troppo alta può distruggere il motore, fondendo i pistoni e le valvole. Questo può succedere se aumentate il flusso d’aria senza compensare installando iniettori più grandi o un maggior numero di iniettori, e/o aumentando la pressione del carburante. Al contrario, le performance del motore possono essere peggiorate se aumentate la quantità di benzina senza aumentare il flusso d’aria all’interno del motore. I motori a liquido freddo tipicamente richiedono più carburante e una miscela più ricca quando vengono avviati, perché il carburante non vaporizza altrettanto bene quando è freddo ed è necessaria una maggiore quantità di carburante per “saturare” l’aria. Miscele più ricche bruciano più lentamente e diminuiscono il rischio di detonazione, tuttavia aumentano le emissioni di monossido di carbonio.

Sensori a ossigeno

I sensori a ossigeno sono installati nel sistema di scarico del veicolo, collegati al collettore del sistema di scarico, e misurano il rapporto aria-carburante. Esistono due tipi di sensori, a banda stretta e a banda larga. I sensori a banda stretta sono stati i primi a essere introdotti, quelli a banda larga sono stati introdotti molto più tardi. Un sensore a banda stretta ha un output non lineare e passa molto bruscamente dalla soglia di voltaggio di una miscela povera (circa 100-200 mV) a quella di una miscela ricca (circa 650-800 mV), senza considerare i valori intermedi.

Inoltre, i sensori a banda stretta sono temperatura-dipendenti. Se i gas di scarico si riscaldano troppo, l’output del voltaggio della miscela povera cresce e si abbassa la soglia della miscela ricca. Allo stesso modo il sensore, in mancanza del preriscaldamento, ha un output più basso per miscele povere e un output più alto per miscele ricche, a volte con una differenza anche superiore a 1 volt. L’influenza della temperatura sul voltaggio è minore nel caso in cui si utilizzi una miscela povera piuttosto che una miscela ricca.

Un motore “freddo” fa cambiare il voltaggio di output del sensore tra 100 e 850/900 mV, ma dopo un po’ di tempo il voltaggio del sensore può passare al range 200 – 700/750mV, anche meno per auto con turbocompressori. L’unità di controllo del motore (ECU) cerca di mantenere l’equilibrio stechiometrico, secondo il quale il rapporto della miscela aria-carburante è approssimativamente 14.7, ovvero sono necessari 14,7 kg di aria per bruciare 1 kg di benzina. Questo rapporto è stato scelto per mantenere una performance media (basso consumo di carburante, potenza discreta e riduzione al minimo dell’inquinamento atmosferico).

Il livello ideale del sensore è stato fissato sui 450 mV. Dal momento che i sensori a banda stretta non possono dare come output un valore di voltaggio fisso all’interno del range dei valori intermedi tra la soglia delle miscele povere e la soglia delle miscele ricche, è l’unità di controllo del motore a regolare il motore in modo che normalmente il voltaggio sia di circa 450 mV. Un sensore a banda larga, al contrario, ha un output estremamente lineare, 0 – 5 V, e non è temperatura-dipendente.