Masowy czujnik przepływu powietrza – znany również jako czujnik MAF, miernik masy powietrza lub przepływomierz masowy – jest instalowany między filtrem powietrza a przepustnicą i mierzy ilość powietrza dostarczanego do cylindrów silnika.

W przypadku silników benzynowych masa powietrza wlotowego ma kluczowe znaczenie dla obliczenia wymaganej masy wtryskiwanego paliwa. W silnikach wysokoprężnych wartość zmierzona przy obciążeniu częściowym jest używana do sterowania recyrkulacją spalin, natomiast ta zdefiniowana dla pełnego obciążenia przyczynia się do ograniczenia emisji sadzy w spalinach. Na podstawie odczytów z MAF jednostka sterująca silnika (ECU) oblicza maksymalną ilość wtryskiwanego paliwa, którą można dokładnie spalić bez wytwarzania zbędnej sadzy w spalinach.

Jak działa czujnik MAF
Element pomiarowy czujnika wykrywa tylko część masy przepływającego przez niego powietrza. W przedstawionym przykładzie (ilustracja 1a i 1b) znajduje się kanał, którego kształt ma na celu minimalizację zawirowań i przepływu zwrotnego powietrza oraz zapobieganie osadzaniu się cząstek na elemencie czujnikowym.

Ilustracja 1. Wkład czujnika MAF

Dzisiejsze czujniki MAF składają się z rezystora grzewczego i dwóch czujników temperatury. Rezystor grzewczy jest utrzymywany przez elektronikę w stałej temperaturze która może się wahać w zakresie od 100 do nawet 160 stopni Celsjusza. Przepływające przez czujnik powietrze chłodzi czujnik T1 i jest ogrzewane przez rezystor grzewczy. Z tego powodu wyższa temperatura jest mierzona przez czujnik temperatury T2. Elektronika oblicza masę powietrza na podstawie różnicy temperatur i przekształca obliczoną wartość na sygnał elektryczny dla ECU. W starszych miernikach masy powietrza jest to analogowy sygnał napięciowy, który mieści się w zakresie 0,2–4,8 V. Napięcie sygnału wzrasta wraz z masą powietrza. W przypadku nowszych czujników MAF do jednostki sterującej wysyłany jest cyfrowy, prostokątny sygnał, którego częstotliwość zależy od zmiany masy powietrza. Częstotliwość ta mieści się w zakresie 1–17 kHz. W niektórych przypadkach zwiększająca się masa powietrza powoduje obniżenie częstotliwości. W innych typach, gdy masa powietrza się zwiększa, częstotliwość wzrasta. W zależności od wersji można rejestrować dodatkowe wartości zmierzone dla temperatury powietrza wlotowego, wilgotności powietrza i ciśnienia w czujniku MAF.

Zasada pomiaru
Do wykrycia masy i kierunku przepływu powietrza obwód wykorzystuje trzy platynowe czujniki. Środkowy czujnik jest rozgrzewany powyżej temperatury powietrza otoczenia. Kiedy powietrze przepływa, ciepło jest przenoszone do jednego z czujników kierunkowych, które są zlokalizowane po obu stronach podgrzanego czujnika. Ciepło zmienia rezystancję czujników kierunkowych, a powodowana przez to różnica napięcia zapisywana jest w mikrokomputerze. Podgrzewany czujnik utrzymywany jest w stałej temperaturze bez względu na przepływ powietrza. Efekt taki można uzyskać dzięki pętli zwrotnej, która monitoruje rezystancję samego elementu podgrzewającego oraz rezystancję w temperaturze powietrza otoczenia. Zmieniająca się rezystancja elementu podgrzewającego powoduje również różnicę w napięciu, które przesyłane jest do mikrokomputera, podobnie jak napięcie czujników kierunkowych. Mikrokomputer dostarcza cyfrowy sygnał do konwertera cyfrowo-analogowego, który przekształca go w napięcie wyjściowe odpowiednie do kierunku i masy przepływającego powietrza.

Możliwe błędy i ich skutki
Awaria elektryczna czujników MAF
Wśród możliwych przyczyn wyróżnić można brak zasilania, przerwy w przewodach, wadliwe złącza lub awarię elektroniki czujnika. ECU wykrywa błąd i zapisuje go w pamięci błędów. Typowy komunikat o błędach to: „Sygnał czujnika MAF nieprawdopodobny, zbyt niski lub zbyt wysoki”. ECU próbuje ustalić charakterystyki pracy awaryjnej z wartościami zastępczymi. Wykorzystane wartości są wyświetlane na liście danych urządzenia diagnostycznego. Klient w takim przypadku będzie się skarżył na szarpanie samochodu, nierówną pracę silnika i brak mocy podczas przyspieszania. Przed wymianą czujnika MAF powinno się sprawdzić napięcie zasilania (12 V i/lub 5 V) i kable jednostki sterującej w celu wyeliminowania przerwy w obwodzie lub zwarcia do masy. Przy pomiarach elektrycznych na czujniku MAF pomocny jest schemat obwodu. Czujniki MAF mają od trzech do sześciu pinów połączeniowych, przy czym styk sygnałowy jest często na ostatnim pinie (ilustracja 2).

Ilustracja 2. Przykład przypisania pinów czujnika MAF: pin 1– sygnał czujnika temperatury – powietrze dolotowe, pin 2 – masa, pin 4 – zasilanie +12 V,
pin 5 – sygnał masy powietrza.

Pomiar napięcia sygnału służy głównie do sprawdzenia podstawowych funkcji czujnika MAF. W przypadku sensorów z analogowymi sygnałami napięciowymi należy podłączyć woltomierz lub oscyloskop do styku napięcia sygnału i masy sygnału. Po włączeniu zapłonu – w zależności od wersji – wartość napięcia powinna wynosić od 0,2 V do 1,0 V. Jeśli napięcie wynosi 0 V lub 5 V, miernik masy powietrza jest uszkodzony i należy go wymienić. Na biegu jałowym napięcie sygnału wynosi od 1,5 V do 2 V. Na oscylogramie (ilustracja 3) widać pulsujące napięcie. Jest to spowodowane pulsacją powietrza w kolektorze dolotowym.

Ilustracja 3. Pulsacja napięcia spowodowana nierównomiernym dawkowaniem powietrza w kolektorze dolotowym.

Po gwałtownym otwarciu przepustnicy napięcie powinno przekraczać 3,5 V. Najwyższa wartość napięcia sygnału w zakresie 4,2–4,7 V może występować tylko podczas przyspieszania do nominalnej prędkości podczas jazdy próbnej pod pełnym obciążeniem. Wyżej wymienione wartości napięcia są wartościami standardowymi. Dokładne wartości specyficzne dla danego typu pojazdu znajdują się w dokumentacji dostarczonej przez producenta.
W przypadku czujników wytwarzających sygnał prostokątny potrzebny jest oscyloskop lub urządzenie do pomiaru częstotliwości. W celu weryfikacji sygnału należy podłączyć sondy pomiarowe do pinu sygnału i masy sygnału. Po włączeniu zapłonu na oscyloskopie pojawia się sygnał prostokątny, którego częstotliwość waha się od 1 kHz do 15 kHz (ilustracje 4 i 5).

Ilustracja 4. Sygnał czujnika MAF niskiej częstotliwości na biegu jałowym wynosi 2,6 kHz (i wzrasta wraz ze wzrostem prędkości silnika). Gdy zapłon jest włączony, częstotliwość wynosi 1,9 kHz.

Ilustracja 5. Sygnał czujnika wysokiej częstotliwości MAF przy włączonym zapłonie wynosi 10,4 kHz (i spada do 2,0 kHz wraz ze wzrostem prędkości obrotowej silnika).

Ilustracja 6. W przypadku przedstawionym na ilustracji 5 temperatura powietrza wlotowego jest także opisywana przez sygnał o charakterystyce prostokątnej. Jego częstotliwość to tylko 15 Hz. Temperatura zmienia charakterystykę pracy silnika.

W przypadku czujników MAF o niskich częstotliwościach od 1 do 2 kHz przy otwarciu przepustnicy wartości częstotliwości muszą wzrosnąć (ilustracja 6), zaś dla czujników MAF o wysokich częstotliwościach (przy prędkości biegu jałowego na poziomie 5–15 kHz) częstotliwość powinna się zmniejszać wraz ze wzrostem prędkości obrotowej (ilustracja 7). W przypadku nowszych mierników masy sygnał prostokątny pomoże nam także określić temperaturę powietrza dolotowego. Sygnał ten oscyluje w zakresie niskich częstotliwości (ilustracja 8).

Ilustracja 7. Protokół silnika wysokoprężnego z czujnikiem MAF bez błędu. Masa powietrza wynosi 88 g/s przy prędkości obrotowej mocy maksymalnej. Silnik ma moc 90 KM.

Ilustracja 8. Protokół silnika benzynowego z uszkodzonym czujnikiem MAF. Masa powietrza wynosi tylko 44 g/s. Silnik ma moc 125 kW.

Nieprawidłowe wartości pomiarowe
Gdy wyświetlane są nieprawidłowe wartości, plasują się one zazwyczaj poniżej rzeczywistej masy powietrza. Często element czujnikowy jest zanieczyszczony oparami oleju z odpowietrzenia skrzyni korbowej lub cząstkami brudu z powodu złej filtracji powietrza. W przypadku silników benzynowych jednostka sterująca zmniejsza ilość wtrysku ze względu na odczytaną nieprawidłową, niską masę powietrza. Silnik zaczyna pracować na zbyt niskich obrotach, szarpać przy częściowym obciążeniu i nie osiąga pełnej mocy. W przypadku silników wysokoprężnych klient skarży się na brak mocy, ponieważ ECU zmniejsza ilość wtryskiwanego paliwa z powodu odczytanej błędnie niskiej masy powietrza. Wyszukiwanie błędów jest w tym przypadku trudniejsze, ponieważ ECU nie przechowuje historii błędów, a tylko ostatni błąd występujący w danym podzespole. W przypadku silników benzynowych często wskazywany jest błąd: „zbyt uboga mieszanka, osiągnięta granica lambda”.
Aby zidentyfikować błąd, należy przeprowadzić jazdę próbną i zanotować zmierzone wartości prędkości obrotowej silnika, masy powietrza i ciśnienia w kolektorze dolotowym (w przypadku silników turbo). Należy przyspieszyć pod pełnym obciążeniem na wysokim biegu, aby osiągnąć maksymalną prędkość silnika. Wartość masy powietrza w gramach na sekundę (g/s) dla silników wysokoprężnych powinna odpowiadać mocy silnika wskazywanej w koniach mechanicznych [KM] (ilustracja 8), a dla silników benzynowych – mocy podanej w kilowatach [kW] (ilustracje 7 i 8). Przedstawione wskazówki mają charakter ogólny. Bardziej szczegółowe wartości można znaleźć w dokumentacji producenta pojazdu.
Uwaga: niska wartość masy powietrza nie wskazuje wyraźnie wadliwego przepływomierza masowego. Dopiero gdy wszystkie inne systemy po stronie powietrza, tj. filtr powietrza, recyrkulator spalin, zawór wirowy, filtr cząstek stałych i turbosprężarka, są w dobrym stanie, można być pewnym, że czujnik MAF jest przyczyną usterki. Zanieczyszczony nagarem kolektor dolotowy może również nieznacznie ograniczać masę powietrza. Czyszczenie brudnego elementu czujnika rzadko kończy się powodzeniem. Nawet jeśli po czyszczeniu zostanie zauważona poprawa, wartości pomiarowe oferowane przez nowy czujnik MAF nie zostaną osiągnięte (ilustracja 9). Tylko wymiana uszkodzonego czujnika MAF na nowy przyniesie pełny sukces. Uwaga: w wielu pojazdach osiągi silnika mogą nie zostać natychmiast przywrócone. Wymiana czujnika MAF niekiedy wymaga zresetowania wartości przyuczonych. Jest to możliwe przy użyciu testera diagnostycznego.

Ilustracja 9. Po próbie „oczyszczenia” miernika masy powietrza, mimo zwiększonej wartości masy powietrza z 44 g/s do 91 g/s (ilustracja 8), wartość zadana 125 g/s nie została osiągnięta. Potwierdza to niskie napięcie sygnału 3,7 V. Czyszczenie okazuje się nieskuteczne.

 

Opracowanie NGK SPARK PLUG EUROPE