Что такое расходомер двигателя

Что такое датчик массового расхода воздуха (ДМРВ) и «с чем его едят»?

Корректная работа двигателя зависит от работоспособности многих устройств, в частности, речь идет о датчиках. В частности, речь идет о датчике массового расхода воздуха (ДМРВ), которым комплектуются все современные моторы. Подробнее о том, что это такое ДМРВ, какие бывают виды регуляторов и в чем заключается принцип действия устройства, мы расскажем ниже.

Виды и принцип действия

Схема ДМРВ в корпусе

Эволюция расходомеров направлена на поиск методов более точного измерения, учета большего количества параметров, чтобы в итоге получить максимально стабильную работу двигателя.

Механические датчики (расходомеры с трубкой Пито) работали по принципу воздушного сопротивления: чем сильней поток воздуха, тем больше отклонялась внутренняя демпфирующая пластина. Эти системы были долговечными и надежными, но недостаточно точными. С появлением более современных топливных систем понадобились более прогрессивные методы измерения.

Следующее поколение – термоанемометрический датчик с платиновой нитью (Hot Wire MAF Sensor). Именно платиновой, так как этот металл дольше всего сопротивляется термической деградации. Принцип действия основан на поддержании постоянной температуры нагретой нити: чем больший поток воздуха проходит через нее, тем быстрей она остывает и тем больше энергии нужно на нагрев. Контроль температуры осуществляется терморезистором, а данные о затраченной на нагрев нити энергии передаются на ЭБУ как информация о количестве проходящего через нить воздуха.

Схема датчика MAF: 1. Кольцо. 2. Платиновая нить. 3. Термокопенсационное сопротивление. 4. Крепление кольца. 5. Корпус электронного модуля.

Для более точного измерения в современных датчиках учитывается еще и температура поступающего воздуха.

Самой частой причиной выхода из строя является загрязнение нити отложениями пыли и моторного масла. Поэтому в таких датчиках предусмотрена функция самоочистки: после каждой остановки двигателя платиновая нить на пару секунд разогревается до 1100оС. Все органические отложения мгновенно сгорают или обугливаются.

Недостатком нитевых датчиков является ограниченный ресурс работы: платина, несмотря на свою стойкость, рано или поздно выгорает.

Более прогрессивной модификацией стал пленочный датчик (Hot Film Air Flow Sensor, HFM). Принцип работы тот же, что и у проволочного: масса входящего воздуха определяется по степени охлаждения нагревательного элемента. На керамическую основу (подложку) устанавливаются все необходимые элементы в виде тонкопленочных резисторов, в том числе и нагревательный элемент в виде платинового напыления. Сенсор устанавливается в воздушном канале, через который проходит только входящий поток воздуха (измерения получаются более точными за счет отсутствия обратных воздушных волн от работающих клапанов и поршней двигателя). В пленочных датчиках отсутствует проблема загрязнения: пыль и моторное масло не попадают на нагревающийся слой, а значит, нет необходимости в самоочистке. В пленочных сенсорах учитывается и плотность воздуха, которая также влияет на скорость охлаждения нагревательного элемента.

Схема датчика HFM: 1. Электрический разъем. 2. Внешний корпус. 3. Электронная схема. 4. Термоэлемент. 5. Корпус датчика. 6. Канал воздушного потока.

В самых новых моделях автомобилей конструкторы уже отказались от ДМРВ, заменив их датчиками абсолютного давления. Но расходомеры воздуха, основанные на нагревательном элементе, в настоящее время используются наиболее широко.

Расходомер воздуха с пле­ночным термоанемометром

Измерительный патрубок 2 вмонтирован в массовый расходомер воздуха, который в зависимости от требуемого дви­гателем расхода воздуха имеет различ­ные диаметры. Он устанавливается во впуск­ном канале за воздушным фильтром. Воз­можен также вариант встроенного измери­тельного патрубка, который устанавливается внутри воздушного фильтра.

Воздух, входящий во впускной коллектор, обтекает чувствительный элемент датчика 5, который вместе с вычислительным кон­туром 3 является основным компонентом датчика.

Входящий воздух проходит через об­водной канал 7 за чувствительным эле­ментом датчика. Чувствительность датчика при наличии сильных пульсаций потока мо­жет быть улучшена применением соответ­ствующей конструкции обводного канала, при этом определяются также и обратные токи воздуха. Датчик соединяется с ЭБУ через выводы 1.

Рис. Схема массового расходомера воздуха с пленочным термоанемометром:
1 — выводы электрического разъема, 2 — измери­тельный патрубок или корпус воздушного фильт­ра, 3 — вычислительный контур (гибридная схе­ма), 4 — вход воздуха, 5 — чувствительный эле­мент датчика, 6 — выход воздуха, 7 — обводной канал, 8 — корпус датчика.

Принцип работы массового расходомера воздуха заключается в следующем. Микромеханическая диафрагма датчика 5 на чувствительном элементе 3 нагревается центральным нагревающим резистором. При этом имеет место резкое падение температуры на каждой стороне зоны нагрева 4.

Распределение температуры по диафраг­ме регистрируется двумя температурозависимыми резисторами, которые устанавли­ваются симметрично до и после нагреваю­щего резистора (точки измерения М1 и М2). При отсутствии потока воздуха на впуске температурная характеристика 1 одинакова на каждой стороне измеритель­ной зоны (Ti = T2). Как только поток воздуха начинает обтекать чувствительный элемент датчика, распределение температуры по диафрагме меняется (характеристика 2).

Рис. Принцип измерения массового расхода воздуха пленочным термоанемометром:
1 – температурная характеристика при отсутствии потока воздуха 2 – температурная характеристика при наличии потока воздуха; 3 – чувствительный элемент датчика; 4 – зона нагрева; 5 – диафрагма датчика; 6 – датчик с измерительным патрубком; 7 – поток воздуха; М1, М2 – точки измерения, Т1, Т2 – значения температуры в точках измерения M1 и М2; ΔT – перепад температур

На стороне входа воздуха температурная характеристика является более крутой, пос­кольку входящий воздух, обтекающий эту поверхность, охлаждает ее. Вначале на про­тивоположной стороне (сторона, наиболее близко расположенная к двигателю) чувствительный элемент датчика охлажда­ется, но затем воздух, подогреваемый наг­ревательным элементом, нагревает его. Из­менение в температурном распределении (ΔT) приводит к перепаду температур меж­ду точками измерения М1 и М2.

Тепло рассеивается в воздухе и, следова­тельно, температурная характеристика чувствительного элемента датчика является функцией массового расхода воздуха. Раз­ница температур, таким образом, есть мера массового расхода воздуха и при этом она не зависит от абсолютной температуры про­текающего потока воздуха. Кроме этого, разница температур является направлен­ной. Это означает, что массовый расходо­мер не только регистрирует количество вхо­дящего воздуха, но также и его направление.

Благодаря очень тонкой микромеханичес­кой диафрагме датчик имеет очень высокую динамическую чувствительность ( Пленочный расходомер воздуха

Этот датчик состоит из толстопленочной диафрагмы, расположенной на керамической основе. Датчик измеряет разрежение во впускном коллек­торе на основе измерения деформации пленочной диафрагмы. При определенных коэффициентах расширения керамической подложки и керамической пленочной крышки в результате охлаждения стыка диафрагма принимает форму купола. В результате получается пустотелая камера (пузырек) высотой примерно 100 мкм и диаметром 3…5 мм. Измерительные пьезоэлектрические элементы расположенные внутри пленки преобразуют перемещения диафрагмы в электрический сигнал.

Рис. Пленочный расходомер воздуха:
1 – измерительная цепь; 2 – диафрагма; 3 – камера эталонного давления; 4 – измерительный элементы; 5 – керамическая подложка

Симптомы неисправности датчика массового расхода воздуха и последствия

Рядовому автовладельцу совсем не обязательно досконально знать, как устроен ДМРВ. Зато умение распознавать симптомы его неисправности помогает заблаговременно предупредить возможные проблемы с работой системы впрыска топлива. Если расходомер отправляет в ЭБУ неверные расчеты, это может стать причиной образования либо обедненной, либо переобогащенной топливовоздушной смеси. В первом случае будет наблюдаться существенное снижение мощности силового агрегата, во втором – перерасход горючего.

Наиболее часто встречающимися признаками неисправности датчика массового расхода воздуха являются:

двигатель стабильно работает только на определенном уровне оборотов;

в штатном режиме эксплуатации наблюдается существенное увеличение расхода топлива;

возникают сложности с запуском мотора;

самопроизвольные остановки двигателя – т. е. он глохнет;

загорание на панели приборов диода Check Engine;

снижение динамики разгона автомобиля.

Разумеется, причиной глохнущего мотора может быть не только датчик, но и проблемы с электропитанием. Поэтому оно проверяется в первую очередь, и только затем диагностике подлежит датчик. Его работоспособность определяется по уровню напряжения, измеряемого в Вольтах. Причем этот способ применим как для расходомеров с нитью, так и для пленочных измерителей, которые подают в блок управления цифровой сигнал. Поэтому этот сигнал у новых моделей пленочных датчиков можно определить и измеряемыми встроенными средствами, которые в случае неисправности выдадут код ошибки.

Если уровень сигнала у расходомера с нитью низкий, это может быть вызвано целым рядом факторов:

неисправен электронный блок управления двигателем;

обрыв в электрической цепи подключения расходомера;

некорректно подключены или оборваны сигнальные провода;

обрыв массы в цепи;

датчик не подключен.

И все же делать окончательные выводы по поводу, что такое ДМВР, и почему он не справляется со своей задачей, на основании вышеперечисленных пунктов не следует. В идеале желательно провести полную диагностику мотора, и совсем не обязательно – всей машины. Ведь очень часто причиной падения мощности и самопроизвольной остановки двигателя становится банально забитый воздушный фильтр. Однако есть показатели, которые позволяют практически со стопроцентной вероятностью утверждать, что причиной проблем является именно расходомер

Поломки расходомеров

Чаще всего датчики расхода воздуха выходят из строя просто от износа: платиновая нить (и платиновое напыление не кремниевой пластине) постепенно истончается от нагрева. У проволочного ДМРВ ресурс составляет примерно 150 тыс. км, но эта цифра может стать и больше, и меньше, в зависимости от состояния других узлов автомобиля.

Поврежденное напыление дорожек на расходомере

Причиной досрочной поломки датчика чаще всего является грязь на нагревательном элементе: пыль и моторное масло искажают показания и вызывают перегрев.

Сломанный датчик не ремонтируется, его меняют на новый. Учитывая, что это не самая дешевая деталь, будет нелишним позаботиться о максимальном продлении срока эксплуатации. На работу расходомера воздуха влияют:

• Состояние воздушного фильтра. Если фильтры регулярно менять и использовать только качественные, можно не беспокоиться о попадании пыли в воздуховод. Если же фильтр вышел из строя или не соответствует техническим требованиям, поломка расходомера покажется ерундой по сравнению со стоимостью ремонта двигателя.
• Состояние двигателя. Из работающего мотора в воздуховод могут попадать пары масла. Масляные отложения, загрязняющие платиновый элемент, ускоряют его износ. На концентрацию моторного масла в картерных газах влияет состояние поршневых колец и сальников клапанов.
• Состояние проводки. Одна из возможных причин поломки датчика – нарушение электрических контактов. Эту причину иногда можно устранить, если повреждение не серьезное.

Когда расходомер выходит из строя, нарушается баланс между поступающим в двигатель бензином и воздухом. Соответственно, проблемы будут отражаться на работе двигателя:

• Повышается расход топлива,
• Нарушаются показатели разгона, возникают провалы при наборе скорости,
• Нетипичная работа двигателя на холостом ходу (слишком высокие или слишком низкие обороты),
• Горит Check Engine,
• Двигатель плохо заводится или не заводится вообще.

Причиной перечисленных проблем не обязательно будет поломка ДМРВ: более точно можно определить только после диагностики. Самостоятельно можно разве что осмотреть место подключения датчика (иногда сбой в работе двигателя появляется из-за повреждения воздуховода) и, если есть подходящие инструменты, то снять сам датчик и заменить его заведомо рабочим. Если после замены проблемы с двигателем остались – дело не в расходомере, а в другой неисправности.

Сильно загрязненный датчик можно попытаться «реанимировать» — очистить нагревательный элемент, чтобы он смог проработать еще немного, до покупки нового. Используют для этой цели специальные очистители (карбоклинер или очиститель для ДМРВ), что позволяет ненадолго продлить «жизнь» детали. Однако нужно помнить, что элементы датчика повреждаются от малейшего воздействия, так что протирать чувствительный элемент (даже слегка!) нельзя.

Неисправный расходомер воздуха влияет не только на режим работы двигателя, но и на ресурс выхлопной системы: сажевый фильтр и катализатор весьма чувствительны к чистоте выхлопа, которая невозможна без оптимального соотношения воздуха и топлива. В современных автомобилях все компоненты взаимозависимы, и поломка даже такого маленького датчика может вызвать «цепную реакцию» неисправностей. А значит, поломки лучше устранять сразу, чтобы и дальше ездить без проблем.

О том, как выбрать новый ДМРВ, читайте наш «Гид покупателя».

Расход жидкостей в автомобилях

Поскольку расход топлива уже доступен в виде вычисляемой измеряемой переменной в электронно управляемых измерительных системах, в основном используемых сегодня в двигателях внутреннего сгорания, нет нужды измерять его для управления процес­сом сгорания.

Расход воздуха во впускном трубопроводе двигателя и в тракте наддува

Соотношение масс воздуха и топлива явля­ется важнейшим фактором в химическом процессе сгорания, поэтому фактически про­изводится измерение массы расходуемого воздуха, хотя может применяться процедура, использующая определение объема и дина­мического давления. Максимальный изме­ряемый массовый расход воздуха находится в диапазоне 400-1200 кг/ч, в зависимости от мощности двигателя. По усредненной оценке работы на холостом ходу современных дви­гателей отношение между минимальным и максимальным расходом составляет от 1:90 до 1:100. Из-за строгих требований к составу выхлопа и расходу необходимо обеспечивать уровень точности 1-2 % от измеренного зна­чения. Применительно к диапазону измере­ния это может означать точность измерения 10 -4 , необычайно высокую для автомобилей.

Воздух же всасывается двигателем не по­стоянно, а в момент открывания впускных клапанов (рис. «Пульсация всасываемого воздуха в 4-цилиндровом бензиновом двигателе» ). По этой причине расход воздуха, особенно при широко открытой дроссельной заслонке, сильно колеблется в точке измере­ния, которая всегда расположена во впускном трубопроводе между воздушным фильтром и дроссельной заслонкой. Из-за резонансов впускного трубопровода пульсация в нем (прежде всего в 4-цилиндровых двигателях, где индукционные или нагнетальные фазы не перекрываются) настолько сильна, что даже возникают кратковременные обратные по­токи. Их необходимо обнаруживать точным расходомером.

Пленочный расходомер и принцип его работы

Чувствительный элемент этого устройства представлен кристаллом кремния, который имеет несколько достаточно тонких слоев платины. Эти слои выступают в качестве резисторов:

• Нагревательного;
• Резистора датчика температуры;
• Двух терморезисторов.

Сам чувствительный элемент находится в особом воздушном канале, который насыщается воздухом за счет разряжения. При этом достаточно высокая скорость воздушного потока препятствует загрязнению элемента. К тому же канал сконструирован особым образом, что позволяет более точно определить массу сгоревшего воздуха, благодаря возможности точного измерения массы как прямого, так и отраженного от клапанов воздуха.

Резистор, отвечающий за нагрев, всегда поддерживает постоянную температуру элемента, а разница температур на терморезисторах позволяет определить массу воздуха и направление его движения.

Как правило, такой расходомер выдает аналоговый сигнал в виде напряжения постоянного тока. Хотя некоторые конструкции расходомеров способны выдавать и более точный цифровой сигнал, который является предпочтительным с точки зрения блока управления.

Сигнал, выдаваемый пленочным расходомером, помогает определить:

• Для карбюраторных моделей ДВС – момент впрыска, количество топлива, момент поджигания топливной смеси и алгоритм работы системы улавливания паров.
• Для дизельных моделей – момент впрыска и алгоритм работы системы рециркуляции газов.

Точное знание массы воздуха поступающего в камеру сгорания помогает системе управления рассчитать необходимо количество топлива, что обеспечивает полное сгорание топливной смеси и как следствие минимальное количество вредных веществ в выхлопе.