Snímač množstva vzduchu

Snímač množstva vzduchu (iné názvy pozri nižšie) je snímač, používaný na určenie hmotnostného prietoku vzduchu, ktorý vstupuje do spaľovacieho motora so systémom prípravy zmesi vstrekovaním paliva.

Názvy

Vyskytujú sa tieto názvy tohto snímača: snímač [alebo senzor alebo merač] množstva [alebo hmotnosti] vzduchu [alebo nasávaného vzduchu či privádzaného vzduchu], snímač [alebo senzor alebo merač] prietoku [alebo prietokového množstva alebo hmotnostného prietoku] vzduchu, MAF (skratka z anglického mass air flow (sensor)), slangovo váha vzduchu.

Charakteristika

Presné informácie o hmotnosti vzduchu vo valci motora sú potrebné, aby riadiaca jednotka motora vedela vypočítať zodpovedajúcu dávku paliva pre daný pracovný zdvih. Vzduch mení svoju hustotu v závislosti od jeho teploty a tlaku. V automobilových aplikáciách sa hustota vzduchu mení s okolitou teplotou, nadmorskou výškou a použitím prepĺňania.

Pretože pre dosiahnutie želaného pomeru paliva a vzduchu je potrebné pracovať s hmotnosťou zložiek, na určovanie množstva nasávaného vzduchu sú snímače hmotnostného prietoku vhodnejšie ako snímače objemového prietoku.

V automobilových motoroch sa používajú dva bežné typy snímačov prietoku vzduchu:

objemový snímač množstva vzduchu (snímač s otočnou klapkou) pracuje na princípe merania objemového prietoku (angl. VAF - volume air flow)
snímač množstva vzduchu s vyhrievaným drôtom sníma veličiny úmerné hmotnostnému prietoku (angl. MAF - mass air flow)

Ani jeden z uvedených typov nemeria priamo hmotnostné množstvo vzduchu. S prídavnými snímačmi a vstupmi však môže riadiaca jednotka motora určiť hmotnostný prietok nasávaného vzduchu.

Oba prístupy sa používajú takmer výlučne na motoroch s elektronickým vstrekovaním paliva. Oba typy snímačov poskytujú výstup 0,0–5,0 voltu alebo impulzovo šírkovo modulovaný signál, ktorý je úmerný hmotnostnému prietoku vzduchu. Oba snímače majú snímač teploty nasávaného vzduchu zabudovaný do svojich puzdier na väčšine vozidiel vybavených systémom samodiagnostiky (OBD).

Ak sa používa snímač prietoku vzduchu v spojení s lambda-sondou, je možné veľmi presne regulovať pomer vzduchu a paliva v motore. Snímač prietoku vzduchu poskytuje riadiacej jednotke predpovedanú informáciu o prietoku vzduchu (nameraný prietok vzduchu) a Lambda-sonda poskytuje spätnú väzbu, aby sa urobili jej opravy.

Objemový snímač

Snímač s otočnou klapkou meria prietok vzduchu do motora pomocou klapky s pružinou pripevnenej na potenciometer. Klapka sa vychyľuje úmerne k prúdeniu vzduchu, návrat do pôvodnej polohy zabezpečuje pružina. Na potenciometer je privedené napätie a na výstupnej svorke potenciometra je napätie úmerné uhlu, o ktorý je klapka natočená, alebo natočenie klapky môže priamo regulovať množstvo vstrekovaného paliva, ako v systéme K-Jetronic spoločnosti Bosch.

Mnoho snímačov tohoto typu má nastavovaciu skrutku vzduch-palivo, ktorá otvára alebo zatvára malý vzduchový kanál okolo klapky. Táto skrutka upravuje zmes vzduchu a paliva tak, že prepustením definovaného množstva vzduchu pomimo meracej klapky (ako obtokový ventil) umožní zmes ochudobniť alebo obohatiť. Otočením skrutky v smere hodinových ručičiek (uzatváraním kanála) sa zmes obohatí a otáčaním proti smeru hodinových ručičiek (otváraním kanála) sa zmes ochudobňuje.

Klapka sa vychyľuje účinkom sily prúdu vzduchu. Nemeria priamo objem ani hmotnosť. Odporová sila prúdu závisí od hustoty vzduchu, rýchlosti vzduchu a tvaru klapky (pozri odpor prostredia). Niektoré snímače obsahujú prídavný snímač teploty nasávaného vzduchu, ktorý umožňuje riadiacej jednotke motora vypočítať hustotu vzduchu a podľa toho dodávať palivo.

Snímač s otočnou klapkou má niekoľko nevýhod:

obmedzuje prietok vzduchu, čo následne obmedzuje výkon motora
jeho pohybujúce sa elektrické alebo mechanické kontakty sa môžu opotrebovať
problematické je najsť vhodné montážne miesto v uzavretom priestore motora
klapka musí byť umiestnená s ohľadom na pôsobenie gravitačnej sily
u niektorých výrobcov bolo riadenie palivového čerpadla súčasťou vnútornej kabeláže snímača

Snímač s vyhrievaným drôtom

Snímač množstva vzduchu s vyhrievaným drôtom zisťuje hmotnosť vzduchu prúdiaceho do systému nasávania. Hlavnú časť snímača tvorí platinový drôt so známym elektrickým odporom. Drôt je pripojený na konštantné napätie, ktoré vyvolá v drôte elektricky prúd. Prechod prúdu drôt zahrieva, čo spôsobí zvýšovanie jeho odporu čo má za následok pokles prúdu až sa dosiahne ustálený stav (pozri Joulovo teplo a Ohmov zákon).

Nasávaný vzduch prúdi okolo ohriateho drôtu a spôsobí jeho ochladenie. Tým sa zníži odpor drôtu, čo zvýši elektrický prúd, pretože napájacie napätie je konštantné. Vyšší prúd zvyšuje teplotu drôtu, kým sa znova nedosiahne rovnováha. Zvýšenie alebo zníženie prúdu je úmerné množstvu vzduchu prúdiaceho okolo drôtu. Integrovaný elektronický obvod prevádza meranie na kalibrovaný signál, ktorý sa odosiela do riadiacej jednotky motora.

Ak sa hustota vzduchu zvýši v dôsledku zvýšenia tlaku alebo poklesu teploty, ale objem vzduchu zostáva konštantný, hustejší vzduch odvedie viac tepla z drôtu, čo znamená vyšší hmotnostný prietok vzduchu. Na rozdiel od snímačov s klapkou, snímač s horúcim drôtom reaguje priamo na hustotu vzduchu. Zážihové motory s nepriamym vstrekovaním dávkujú hmotnosť paliva podľa hmotnosti vzduchu vo valci, preto je pre ne tento typ snímača výhodnejší.

Tento typ snímača niekedy používa potenciometer ktorý umožňuje nastavenie pomeru vzduch-palivo. Niekedy je snímač pripojený aj na čistiaci obvod, ktorý používa horúci drôt na spaľovanie nečistôt na jeho povrchu. Relé čistiaceho obvodu púšťa cez platinový drôt vysoký prúd na asi jednu sekundu, čím sa spália alebo odparia všetky nečistoty, ktoré sa prilepili na jeho povrch.

Snímač množstva vzduchu s vyhrievanou tenkou vrstvou (snímač množstva vzduchu s vyhrievaným filmom) funguje podobne ako snímač s vyhrievaným drôtom. Rozdiely sú v tom že snímač s vyhrievanou tenkou vrstvou má na výstupe signál, ktorý mení frekvenciu alebo napätie a používa horúci filmový rošt namiesto horúceho drôtu. Používal sa koncom 80. a začiatkom 90. rokov 20. storočia. Výstupná frekvencia je priamo úmerná hmotnosti vzduchu vstupujúceho do motora. Keď sa zvyšuje hmotnosť nasávaného vzduchu, zvyšuje sa aj frekvencia. Tieto snímače majú tendenciu spôsobovať občasné problémy z dôvodu vnútorných elektrických porúch. Na kontrolu výstupnej frekvencie týchto snímačov sa odporúča použitie osciloskopu. Keď snímač zlyhá, je bežné frekvenčné skreslenie.

Niektoré z výhod snímača s vyhrievaným drôtom v porovnaní so starším snímačom s otočnou klapkou sú:

rýchlo reaguje na zmeny prietoku vzduchu
málo obmedzuje prúdenia vzduchu
teleso snímača je menšie, čo je výhodnejšie pre zabudovanie do vozidla
sú menej citlivé na umiestnenie a orientáciu
nemajú pohyblivé časti čo zvyšujú trvanlivosť
sú lacnejšie
na stanovenie hmotnosti vzduchu sa nevyžadujú samostatné snímače teploty a tlaku, aj keď snímač teploty nasávaného vzduchu je niekedy súčasťou zostavy snímača.

Snímače majú aj niektoré nevýhody:

nečistoty a oleje môžu znečistiť horúci drôt, čo zhoršuje jeho presnosť
inštalácia vyžaduje laminárne prúdenie cez horúci drôt
snímač obsahuje tenký platinový drôt, ktorý sa pri nesprávnej manipulácii môže zlomiť

Snímač so studeným drôtom

Snímač množstva vzduchu so studeným drôtom funguje podobne ako snímač s horúcim drôtom, ale používa ďalší „studený“ rezistor na meranie teploty okolitého vzduchu a poskytuje referenciu pre „horúci“ odporový prvok používaný na meranie prietoku vzduchu.

Sieť na snímači sa používa na vyhladenie prúdenia vzduchu, aby sa zaistilo, že snímači majú najlepšiu šancu na stabilné čítanie. V situáciách, keď majitelia používajú vzduchové filtre s olejovou gázou, je možné, že prebytočný olej pokryje snímač a skreslí jeho hodnoty. Spoločnosť General Motors vydala technický servisný bulletin, v ktorom uvádza problémy od hrubého voľnobehu až po možné poškodenie prenosu v dôsledku kontaminovaných snímačov. Na čistenie citlivých komponentov snímačov MAF by sa mal použiť špecifický čistič snímačov alebo čistič pre elektronické komponenty, a nie čističe karburátora alebo brzdou, ktoré môžu biť chemicky agresívne. Namiesto toho je kvapalná časť čističov snímačov a čističov elektroniky zvyčajne založená na hexáne alebo heptáne s nízkym alebo žiadnym obsahom alkoholu a používa sa buď oxid uhličitý alebo HFC-152a ako hnacie plyny. Senzory by sa mali opatrne striekať z dostatočnej vzdialenosti, aby sa zabránilo ich fyzickému poškodeniu a pred opätovnou inštaláciou by sa mali nechať dôkladne vyschnúť. Výrobcovia tvrdia, že jednoduchým, ale mimoriadne spoľahlivým testom na zabezpečenie správnej funkčnosti je poklepať na jednotku zadnou časťou skrutkovača, keď je vozidlo v voľnobehu, a ak to spôsobí akékoľvek zmeny vo výstupnej frekvencii, jednotka by sa mala zahodiť a mala by sa vymeniť.

Vírový snímač

Vírový snímač meria frekvenciu Kármánových vírov. Tieto víry sa vytvárajú, keď sa do prichádzajúceho laminárneho toku vzduchu položí kolmý luk, frekvencia výsledného obrazca vzduchu po prekážky je úmerná rýchlosti vzduchu.

Existujú dva spôsoby čítania týchto vírov:

Priamo čítanie ako tlakový impulz proti senzoru. Takýto spôsob sa môže použiť iba pred turbodúchadlom.
V druhom spôsobe víry sa zrážajú so zrkadlom, ktoré potom preruší alebo vysiela odrazový svetelný lúč, ktorý generuje impulzy v reakcii na víry. Takýto spôsob sa môže použiť aj po turbodúchadlé.

Membránový snímač

Nová technológia využíva veľmi tenkú elektronickú membránu umiestnenú v prúde vzduchu. Membrána má dva teplotne snímače. Prví snímač je otočený v smere oproti prúdenia vzduchu pokiaľ je druhy otočený v smere prúdenia vzduchu. Ohrievač je integrovaný v strede membrány, ktorý udržuje konštantnú teplotu podobné ako v snímače s horúcim drôtom. Bez akéhokoľvek prúdenia vzduchu je teplota obidvoch snímačov istá. Keď vzduch prúdi cez membránu, snímač otočený oproti smeru prúdenia sa ochladzuje viac než snímač otočený v smere prúdenia vzduchu. S rozdielu teplote snímačov je možne vyrátať hmotnostný prietok vzduchu. Membránový snímač je schopný merať hmotnostný prietok vzduchu v oboch smeroch, ktoré sa niekedy vyskytujú v pulzných situáciách. Technologický pokrok umožňuje výrobu tohto typu snímačov ako mikro snímače, s čim sa dosahuje výrazne vyššia rýchlosť a citlivosť v porovnaní s makroskopickým prístupom.

Snímače laminárneho toku

Snímače laminárneho toku merajú priamo objemový prietok plynov. Požívajú pravidlo že je pri laminárnom prietoku tlakový rozdiel v rúre lineárny k prietokovej rýchlosti. Podmienky laminárneho prietoku sú prítomné v plyne, keď je Reynoldsovo číslo plynu pod kritickou hodnotou. Vo výsledku merania musí byť kompenzovaná viskozity tekutiny. Snímače laminárneho toku sú obvykle konštruované z veľkého počtu rovnobežných rúrou, aby sa dosiahol požadovaný prietok.

Zdroj

Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Mass flow sensor na anglickej Wikipédii.