Misurare la miscela aria-carburante con una sonda a banda larga e il CUMPAN
La miscela aria-carburante – espressa come valore lambda o AFR – può essere misurata e visualizzata sul motore. Servono a tal fine tre componenti: una sonda a banda larga, un controller lambda e un display. Il CUMPAN Cockpit Assistant restituisce in modo combinato numerosi valori e può fungere anche da display per i valori lambda o AFR.
Principi di base
La miscela aria-carburante è determinante per ogni motore a combustione – per un funzionamento sano e regolare, per uno sviluppo ottimale della potenza e, non da ultimo, per le emissioni allo scarico.
La combustione completa di un carburante richiede una quantità minima di ossigeno. Si parla di combustione stechiometrica (completa) quando tutte le molecole di carburante reagiscono integralmente con l'ossigeno dell'aria, senza carenza di ossigeno né carburante incombusto. Nella pratica la quantità d'aria fornita si discosta spesso dal fabbisogno stechiometrico. La grandezza che caratterizza questo scostamento è il rapporto d'aria lambda (λ).
Lambda = quantità d'aria / quantità d'aria stechiometrica → λ = L / Lst.
Nel mondo anglosassone è comune l'indicazione come AFR (Air-Fuel Ratio). Come dice il nome, è definito dal rapporto tra la quantità di aria e di carburante. Per i carburanti a benzina la miscela stechiometrica (λ = 1) è pari a 14,7 : 1 – 1 kg di carburante richiede esattamente 14,7 kg di aria per una combustione completa. La relazione è: λ = AFR / AFRstech. (esempio: nella miscela stechiometrica AFR = 14,7, quindi λ = 14,7 / 14,7 = 1).
Poiché la composizione dei carburanti comuni varia e molti veicoli moderni possono utilizzare carburanti diversi, è più sensato parlare di valori λ anziché di AFR.
Con un rapporto d'aria λ > 1 si parla di miscela magra, con λ < 1 di miscela ricca. Per i carburanti a benzina una miscela infiammabile si colloca tra 0,7 < λ < 1,3. Il punto di lavoro di un catalizzatore trivalente è λ = 1, poiché qui i processi di ossidazione e riduzione avvengono in parallelo. La potenza massima di un motore a benzina aspirato viene invece raggiunta con eccesso di carburante, a λ = 0,88.
Sonda a banda larga
I costruttori di veicoli di norma non montano una sonda a banda larga sui motori di serie. Questi sono ottimizzati per il post-trattamento dei gas di scarico a λ = 1, dove si impiega la sonda a salto, più economica.
Le sonde a banda larga più note provengono da Bosch e portano le denominazioni «LSU 4.2», «LSU 4.9», «LSU ADV» e «LSU 5.x». Di norma non sono intercambiabili tra loro. La più diffusa è la collaudata «LSU 4.9» – tutti i valori indicati di seguito si riferiscono a questa sonda.
Come dice il nome, le sonde a banda larga offrono un ampio campo di misura, da λ 0,65 fino all'aria pura (λ → ∞), e ciò con elevata precisione: ± 1 % a λ = 0,8, ± 0,7 % a λ = 1 e ± 5 % a λ = 1,7. Un riscaldatore di sonda integrato porta rapidamente la sonda in temperatura di esercizio. La durata è di circa 100.000 km.
La sonda a salto (detta anche sonda binaria) funziona secondo un altro principio: il suo valore commuta a λ = 1. Ciò si presta molto bene a una regolazione dei gas di scarico su λ = 1, ma i valori superiori o inferiori non possono essere rilevati in modo utile né usati come grandezza di regolazione. Con una sonda a salto non è quindi possibile regolare sulla potenza massima (λ = 0,88).
Controller lambda
Il segnale della sonda a banda larga deve essere elaborato da un circuito di valutazione dedicato (LSU-IC) e convertito in una forma utilizzabile (0–5 V). Di questo compito si occupa il controller lambda.
Sul mercato è disponibile un'ampia varietà di dispositivi. In linea di principio si può utilizzare qualsiasi controller con caratteristica lineare e uscita analogica 0–5 V. A tal fine il CUMPAN offre una calibrazione a due punti secondo la scheda tecnica del rispettivo produttore del controller. Si sono rivelati validi, ad esempio, i dispositivi di «ProSport» e «14Point7».
Come set completo e armonizzato proponiamo nello shop il kit controller lambda e AFR Spartan 3 con Bosch LSU 4.9: un 14Point7 Spartan 3 Lite v2 calibrato in fabbrica, la collaudata sonda a banda larga Bosch LSU 4.9 e il manicotto a saldare in acciaio inox adatto. Il controller emette il proprio segnale tramite un'uscita analogica lineare 0–5 V e può quindi essere collegato direttamente al CUMPAN – non è necessaria alcuna calibrazione all'aria libera della sonda.
Una soluzione particolarmente versatile per alcuni modelli KTM è il «Fuel Guard» del produttore «MCE Performance»:
«L'MCE Fuel Guard è un'estensione delle nostre riprogrammazioni della ECU per le moto KTM/Husqvarna/GasGas. Il Fuel Guard è composto da una sonda a banda larga Bosch LSU 4.9 e dall'unità di regolazione che, in combinazione con la nostra riprogrammazione della ECU, consente di realizzare un "full closed loop" sul valore lambda desiderato. Ciò significa che la centralina non calcola più la quantità di iniezione soltanto in modo statico sulla base delle mappe, ma raggiunge autonomamente il valore lambda desiderato mediante la sonda lambda a banda larga. La ECU corregge la quantità di carburante in modo continuo e completamente automatico per ottenere in ogni momento potenza e guidabilità ottimali.»
Inoltre il Fuel Guard invia il segnale lambda al CUMPAN, così che i valori lambda – base della regolazione – possano essere visualizzati in tempo reale durante la marcia. Un malfunzionamento o un difetto del veicolo può così essere riconosciuto per tempo.
Display
Per una valutazione affidabile del funzionamento del motore – fasce di potenza sfruttate male, errori nella preparazione della miscela – è necessaria una visualizzazione del valore lambda. A tal fine strumenti di visualizzazione esterni traducono il segnale analogico 0–5 V del controller lambda nel valore lambda corrispondente e lo rappresentano.
Il CUMPAN Cockpit Assistant offre esattamente questa possibilità e integra la visualizzazione lambda in una vista d'insieme liberamente configurabile di diversi dati motore come il regime, la temperatura dell'olio e del liquido di raffreddamento, la pressione dell'olio o l'indicazione della marcia.
Il segnale viene collegato tramite uno degli ingressi analogici 0–5 V. Nel menu, sotto [INPUT] / [LAMBDA] [AFR], si imposta una calibrazione a due punti: 0,0 V come valore inferiore e 5,0 V come valore superiore. I valori corrispondenti provengono dalla scheda tecnica del controller lambda/AFR utilizzato; per i controller più comuni sono già preimpostati. I dettagli sono descritti nel manuale utente del CUMPAN, nella sezione LAMBDA/AFR.
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