Cần biết trước khi dùng: Wiki về Cảm biến lưu lượng không khí | Mass (Air) flow sensor

Wiki-Cảm biến lưu lượng khối lượng (không khí) (MAF) là một cảm biến được sử dụng để xác định tốc độ khối lượng của không khí đi vào động cơ đốt trong phun nhiên liệu./ A mass (air) flow sensor (MAF) is a sensor used to determine the mass flow rate of air entering a fuel-injected internal combustion engine.

Thông tin về khối lượng không khí là cần thiết để khối điều khiển động cơ (ECU) cân bằng và cung cấp khối lượng nhiên liệu chính xác đến động cơ. Không khí thay đổi khối lượng riêng của nó theo nhiệt độ và áp suất. Trong các ứng dụng ô tô, mật độ không khí thay đổi theo nhiệt độ môi trường, độ cao và việc sử dụng cảm ứng cưỡng bức, có nghĩa là cảm biến lưu lượng khối lượng thích hợp hơn cảm biến lưu lượng thể tích để xác định lượng khí nạp vào mỗi xi lanh./ The air mass information is necessary for the engine control unit (ECU) to balance and deliver the correct fuel mass to the engine. Air changes its density with temperature and pressure. In automotive applications, air density varies with the ambient temperature, altitude and the use of forced induction, which means that mass flow sensors are more appropriate than volumetric flow sensors for determining the quantity of intake air in each cylinder.

Có hai loại cảm biến lưu lượng gió phổ biến được sử dụng trên động cơ ô tô. Đây là đồng hồ đo cánh và dây nóng. Cả hai thiết kế đều không sử dụng công nghệ đo trực tiếp khối lượng không khí. Tuy nhiên, với các cảm biến và đầu vào bổ sung, ECU của động cơ có thể xác định tốc độ dòng khí nạp./ There are two common types of mass airflow sensors in use on automotive engines. These are the vane meter and the hot wire. Neither design employs technology that measures air mass directly. However, with additional sensors and inputs, an engine's ECU can determine the mass flow rate of intake air.

Cả hai cách tiếp cận hầu như chỉ được sử dụng trên động cơ phun xăng điện tử (EFI). Cả hai thiết kế cảm biến đều xuất ra tín hiệu điều chế độ rộng xung (PWM) 0,0–5,0 volt tỷ lệ với tốc độ dòng khí và cả hai cảm biến đều có cảm biến nhiệt độ khí nạp (IAT) được tích hợp vào vỏ của chúng cho hầu hết các bài đăng- chẩn đoán bảng (OBDII) xe. Các xe trước năm 1996 có thể có MAF mà không cần IAT. Một ví dụ là 1994 Infiniti Q45./ Both approaches are used almost exclusively on electronic fuel injection (EFI) engines. Both sensor designs output a 0.0–5.0 volt or a pulse-width modulation (PWM) signal that is proportional to the air mass flow rate, and both sensors have an intake air temperature (IAT) sensor incorporated into their housings for most post on-board diagnostics (OBDII) vehicles. Vehicles prior to 1996 could have MAF without an IAT. An example is 1994 Infiniti Q45.

Khi cảm biến MAF được sử dụng cùng với cảm biến oxy, tỷ lệ không khí / nhiên liệu của động cơ có thể được kiểm soát rất chính xác. Cảm biến MAF cung cấp thông tin lưu lượng không khí dự đoán của bộ điều khiển vòng mở (lưu lượng khí đo được) tới ECU và cảm biến oxy cung cấp phản hồi vòng kín để thực hiện các hiệu chỉnh nhỏ đối với khối lượng không khí dự đoán. Cũng xem cảm biến áp suất tuyệt đối của ống góp (cảm biến MAP). Kể từ khoảng năm 2012, một số cảm biến MAF bao gồm cảm biến độ ẩm./ When a MAF sensor is used in conjunction with an oxygen sensor, the engine's air/fuel ratio can be controlled very accurately. The MAF sensor provides the open-loop controller predicted air flow information (the measured air flow) to the ECU, and the oxygen sensor provides closed-loop feedback in order to make minor corrections to the predicted air mass. Also see manifold absolute pressure sensor (MAP sensor). Since around 2012, some MAF sensors include a humidity sensor.
 

Moving vane meter

Cảm biến VAF (lưu lượng không khí thể tích) đo lưu lượng không khí vào động cơ bằng cánh gió nạp lò xo (nắp / cửa) được gắn với một biến trở (chiết áp). Cánh chuyển động tương ứng với luồng không khí. Một điện áp được đặt vào chiết áp và một điện áp xuất hiện trên đầu ra của chiết áp tỷ lệ với góc mà cánh quay quay, hoặc chuyển động của cánh có thể điều chỉnh trực tiếp lượng nhiên liệu phun vào, như trong hệ thống K-Jetronic./ The VAF (volume air flow) sensor measures the air flow into the engine with a spring-loaded air vane (flap/door) attached to a variable resistor (potentiometer). The vane moves in proportion to the airflow. A voltage is applied to the potentiometer and a voltage appears on the output terminal of the potentiometer proportional to the angle the vane rotates, or the movement of the vane may directly regulate the amount of fuel injected, as in the K-Jetronic system.

Nhiều cảm biến VAF có một vít điều chỉnh nhiên liệu không khí, vít này mở hoặc đóng một đường dẫn không khí nhỏ ở phía bên của cảm biến VAF. Vít này điều khiển hỗn hợp không khí-nhiên liệu bằng cách cho một lượng không khí định lượng đi qua cánh đảo gió, do đó làm nghiêng hoặc làm sạch hỗn hợp. Bằng cách xoay vít theo chiều kim đồng hồ, hỗn hợp được làm giàu và ngược chiều kim đồng hồ, hỗn hợp được nghiêng./ Many VAF sensors have an air-fuel adjustment screw, which opens or closes a small air passage on the side of the VAF sensor. This screw controls the air-fuel mixture by letting a metered amount of air flow past the air flap, thereby leaning or richening the mixture. By turning the screw clockwise the mixture is enriched and counterclockwise the mixture is leaned.

Cánh chuyển động do lực cản của dòng khí chống lại nó; nó không đo trực tiếp thể tích hoặc khối lượng. Lực cản phụ thuộc vào mật độ không khí (mật độ không khí lần lượt phụ thuộc vào nhiệt độ không khí), vận tốc không khí và hình dạng của cánh, xem phương trình lực cản. Một số cảm biến VAF bao gồm một cảm biến nhiệt độ khí nạp bổ sung (cảm biến IAT) để cho phép ECU động cơ tính toán tỷ trọng của không khí và phân phối nhiên liệu cho phù hợp./ The vane moves because of the drag force of the air flow against it; it does not measure volume or mass directly. The drag force depends on air density (air density in turn depends on air temperature), air velocity and the shape of the vane, see drag equation. Some VAF sensors include an additional intake air temperature sensor (IAT sensor) to allow the engines ECU to calculate the density of the air, and the fuel delivery accordingly.

Phương pháp đo cánh gạt có một số nhược điểm:/ The vane meter approach has some drawbacks
- nó hạn chế luồng không khí làm hạn chế công suất động cơ/ it restricts airflow which limits engine output
- các tiếp điểm điện hoặc cơ chuyển động của nó có thể bị mòn/ its moving electrical or mechanical contacts can wear
- tìm một vị trí lắp đặt thích hợp trong một khoang động cơ hạn chế là một vấn đề/ finding a suitable mounting location within a confined engine compartment is problematic
- cánh gạt phải được định hướng theo trọng lực./ the vane has to be oriented with respect to gravity.
- ở một số nhà sản xuất, điều khiển bơm nhiên liệu cũng nằm trong hệ thống dây nội bộ của VAF./ in some manufacturers fuel pump control was also part on the VAF internal wiring.
 

Hot wire sensor (MAF)

A hot thick film-grid MAF sensor. The intake air temperature sensor is visible outside, the film-grid is inside.

Cảm biến lưu lượng gió khối lượng dây nóng xác định khối lượng không khí chảy vào hệ thống nạp khí của động cơ. Lý thuyết hoạt động của cảm biến lưu lượng gió khối lượng dây nóng tương tự như lý thuyết của máy đo gió dây nóng (xác định vận tốc không khí). Điều này đạt được bằng cách đốt nóng dây treo trong luồng không khí của động cơ, giống như dây nướng bánh mì, bằng cách đặt một điện áp không đổi lên dây. Điện trở của dây tăng khi nhiệt độ của dây tăng, làm thay đổi cường độ dòng điện chạy qua mạch, theo định luật Ôm. Khi không khí chạy qua dây, dây nguội đi, làm giảm điện trở của nó, do đó cho phép nhiều dòng điện chạy qua mạch hơn, vì điện áp nguồn là một hằng số. Khi dòng điện chạy nhiều hơn, nhiệt độ của dây dẫn tăng lên cho đến khi điện trở lại đạt trạng thái cân bằng. Cường độ dòng điện tăng hoặc giảm tỉ lệ với khối lượng không khí chạy qua dây dẫn. Mạch điện tử tích hợp chuyển đổi phép đo tỷ lệ thành điện áp tỷ lệ được gửi đến ECU./ A hot wire mass airflow sensor determines the mass of air flowing into the engine’s air intake system. The theory of operation of the hot wire mass airflow sensor is similar to that of the hot wire anemometer (which determines air velocity). This is achieved by heating a wire suspended in the engine’s air stream, like a toaster wire, by applying a constant voltage over the wire. The wire's electrical resistance increases as the wire’s temperature increases, which varies the electrical current flowing through the circuit, according to Ohm's law. When air flows past the wire, the wire cools, decreasing its resistance, which in turn allows more current to flow through the circuit, since the supply voltage is a constant. As more current flows, the wire’s temperature increases until the resistance reaches equilibrium again. The current increase or decrease is proportional to the mass of air flowing past the wire. The integrated electronic circuit converts the proportional measurement into a proportional voltage which is sent to the ECU.

Nếu mật độ không khí tăng do tăng áp suất hoặc giảm nhiệt độ, nhưng thể tích không khí không đổi, thì không khí dày đặc hơn sẽ loại bỏ nhiều nhiệt hơn từ dây dẫn chứng tỏ luồng không khí có khối lượng lớn hơn. Không giống như bộ phận cảm biến cánh khuấy của đồng hồ đo cánh gạt, dây nóng phản ứng trực tiếp với mật độ không khí. Khả năng của cảm biến này rất phù hợp để hỗ trợ quá trình đốt cháy xăng về cơ bản phản ứng với khối lượng không khí chứ không phải khối lượng không khí. (Xem phương pháp đo đạc.)./ If air density increases due to pressure increase or temperature drop, but the air volume remains constant, the denser air will remove more heat from the wire indicating a higher mass airflow. Unlike the vane meter's paddle sensing element, the hot wire responds directly to air density. This sensor's capabilities are well suited to support the gasoline combustion process which fundamentally responds to air mass, not air volume. (See stoichiometry.)

Cảm biến này đôi khi sử dụng vít hỗn hợp, nhưng vít này hoàn toàn là điện tử và sử dụng một biến trở (chiết áp) thay vì vít bỏ qua không khí. Vít cần nhiều lượt hơn để đạt được kết quả mong muốn. Mạch làm sạch đốt cháy dây nóng được sử dụng trên một số cảm biến này. Rơ le đốt cháy áp dụng một dòng điện cao qua dây nóng bạch kim sau khi xe tắt máy trong một giây hoặc lâu hơn, do đó đốt cháy hoặc hóa hơi bất kỳ chất gây ô nhiễm nào bám vào phần tử dây nóng bạch kim./ This sensor sometimes employs a mixture screw, but this screw is fully electronic and uses a variable resistor (potentiometer) instead of an air bypass screw. The screw needs more turns to achieve the desired results. A hot wire burn-off cleaning circuit is employed on some of these sensors. A burn-off relay applies a high current through the platinum hot wire after the vehicle is turned off for a second or so, thereby burning or vaporizing any contaminants that have stuck to the platinum hot wire element.

Cảm biến MAF phim nóng hoạt động tương tự như cảm biến MAF dây nóng, nhưng thay vào đó, nó thường xuất ra tín hiệu tần số. Cảm biến này sử dụng lưới phim nóng thay vì dây nóng. Nó thường được tìm thấy vào cuối những năm 1980 và đầu những năm 1990 xe phun nhiên liệu. Tần số đầu ra tỷ lệ thuận với khối lượng không khí đi vào động cơ. Vì vậy khi khối lượng dòng chảy tăng lên thì tần số cũng vậy. Các cảm biến này có xu hướng gây ra các sự cố gián đoạn do hỏng hóc điện bên trong. Nên sử dụng máy hiện sóng để kiểm tra tần số đầu ra của các cảm biến này. Sự biến dạng tần số cũng thường xảy ra khi cảm biến bắt đầu bị lỗi. Nhiều kỹ thuật viên trong lĩnh vực này sử dụng thử nghiệm vòi với kết quả rất khả quan. Không phải tất cả các hệ thống HFM đều xuất ra một tần số. Trong một số trường hợp, cảm biến này hoạt động bằng cách xuất ra tín hiệu điện áp thay đổi đều đặn./ The hot film MAF sensor works somewhat similar to the hot wire MAF sensor, but instead it usually outputs a frequency signal. This sensor uses a hot film-grid instead of a hot wire.[3] It is commonly found in late 1980s and early 1990s fuel-injected vehicles. The output frequency is directly proportional to the air mass entering the engine. So as mass flow increases so does frequency. These sensors tend to cause intermittent problems due to internal electrical failures. The use of an oscilloscope is strongly recommended to check the output frequency of these sensors. Frequency distortion is also common when the sensor starts to fail. Many technicians in the field use a tap test with very conclusive results. Not all HFM systems output a frequency. In some cases, this sensor works by outputting a regular varying voltage signal.

Một số lợi ích của MAF dây nóng so với đồng hồ đo cánh kiểu cũ là/ Some of the benefits of a hot-wire MAF compared to the older style vane meter are:
- đáp ứng rất nhanh với những thay đổi trong luồng không khí/ responds very quickly to changes in air flow
- hạn chế luồng không khí thấp/ low airflow restriction
- gói tổng thể nhỏ hơn/ smaller overall package
- ít nhạy cảm với vị trí lắp đặt và hướng/ less sensitive to mounting location and orientation
- không có bộ phận chuyển động nào cải thiện độ bền của nó/ no moving parts improve its durability
- ít tốn kém/ less expensive
- không yêu cầu các cảm biến nhiệt độ và áp suất riêng biệt để xác định khối lượng không khí, mặc dù đôi khi vẫn có cảm biến nhiệt độ khí nạp bên trong cụm MAF./ separate temperature and pressure sensors are not required to determine air mass, even though the intake air temperature sensor is still sometimes included inside the MAF assembly.

Có một số nhược điểm/ There are some drawbacks:
- bụi bẩn và dầu có thể làm nhiễm bẩn dây nóng làm giảm độ chính xác của nó/ dirt and oil can contaminate the hot-wire deteriorating its accuracy
- lắp đặt yêu cầu một dòng chảy tầng trên dây nóng/ installation requires a laminar flow across the hot-wire
- cảm biến chứa một dây bạch kim mỏng, có thể bị đứt nếu xử lý không đúng cách/ the sensor contains a thin platinum wire, which can break if handled incorrectly.

Cảm biến Coldwire/ Coldwire sensor


Dòng động cơ GM LS (cũng như các dòng khác) sử dụng hệ thống MAF dây lạnh (do AC Delco sản xuất) hoạt động tương tự như hệ thống MAF dây nóng; tuy nhiên, nó sử dụng thêm một điện trở "lạnh" để đo không khí xung quanh và cung cấp tham chiếu cho phần tử điện trở "nóng" được sử dụng để đo lưu lượng không khí./ The GM LS engine series (as well as others) use a coldwire MAF system (produced by AC Delco) that works similarly to the hot-wire MAF system; however, it uses an additional "cold" resistor to measure the ambient air and provide a reference for the "hot" resistor element used to measure the air flow.

Lưới trên MAF được sử dụng để làm trơn luồng không khí để đảm bảo các cảm biến có cơ hội đọc ổn định tốt nhất. Nó không được sử dụng để đo lưu lượng không khí. Trong các tình huống chủ xe sử dụng bộ lọc không khí có gạc dầu, dầu thừa có thể phủ lên cảm biến MAF và làm sai lệch kết quả đọc của nó. Thật vậy, General Motors đã ban hành Bản tin Dịch vụ Kỹ thuật, chỉ ra các vấn đề từ chế độ không tải thô sơ cho đến khả năng hư hỏng hệ truyền động do các cảm biến bị nhiễm bẩn. Để làm sạch các thành phần cảm biến MAF mỏng manh, nên sử dụng chất tẩy rửa cảm biến MAF cụ thể hoặc chất tẩy rửa thiết bị điện tử, không phải chất tẩy rửa bộ chế hòa khí hoặc phanh, có thể quá mạnh về mặt hóa học. Thay vào đó, pha lỏng của chất tẩy rửa cảm biến MAF và chất tẩy rửa thiết bị điện tử thường dựa trên hexan hoặc heptan với nồng độ cồn ít hoặc không và sử dụng carbon dioxide hoặc HFC-152a làm chất đẩy aerosol. Nên xịt nhẹ các cảm biến từ một khoảng cách cẩn thận để tránh làm hỏng chúng và sau đó để khô hoàn toàn trước khi lắp lại. Các nhà sản xuất tuyên bố rằng một bài kiểm tra đơn giản nhưng cực kỳ đáng tin cậy để đảm bảo chức năng chính xác là chạm vào thiết bị bằng mặt sau của tuốc nơ vít khi ô tô đang chạy và nếu điều này gây ra bất kỳ thay đổi nào trong tần số đầu ra thì thiết bị nên được loại bỏ và thay thế OEM Cài đặt./ The mesh on the MAF is used to smooth out airflow to ensure the sensors have the best chance of a steady reading. It is not used for measuring the air flow per se. In situations where owners use oiled-gauze air filters, it is possible for excess oil to coat the MAF sensor and skew its readings. Indeed, General Motors has issued a Technical Service Bulletin, indicating problems from rough idle all the way to possible transmission damage resulting from the contaminated sensors. To clean the delicate MAF sensor components, a specific MAF sensor cleaner or electronics cleaner should be used, not carburetor or brake cleaners, which can be too aggressive chemically. Instead, the liquid phase of MAF sensor cleaners and electronics cleaners is typically based on hexanes or heptanes with little to no alcohol content and use either carbon dioxide or HFC-152a as aerosol propellants. The sensors should be gently sprayed from a careful distance to avoid physically damaging them and then allowed to thoroughly dry before reinstalling. Manufacturers claim that a simple but extremely reliable test to ensure correct functionality is to tap the unit with the back of a screwdriver while the car is running, and if this causes any changes in the output frequency then the unit should be discarded and an OEM replacement installed.
 

Cảm biến xoáy Kármán/ Kármán vortex sensor

A von Kármán vortex street

Một cảm biến xoáy Kármán hoạt động bằng cách làm gián đoạn dòng không khí với hình cung vuông góc. Với điều kiện rằng dòng chảy đến là tầng, thức bao gồm một dạng dao động của các xoáy Kármán. Tần số của kiểu hình thu được tỷ lệ thuận với vận tốc không khí./ A Kármán vortex sensor works by disrupting the air stream with a perpendicular bow. Providing that the incoming flow is laminar, the wake consists of an oscillatory pattern of Kármán vortices. The frequency of the resulting pattern is proportional to the air velocity.

Các xoáy này có thể được đọc trực tiếp như một xung áp suất đối với cảm biến hoặc chúng có thể được tạo ra để va chạm với một gương, sau đó sẽ làm gián đoạn hoặc truyền một chùm ánh sáng phản xạ để tạo ra các xung phản ứng lại các xoáy. Loại đầu tiên chỉ có thể được sử dụng trong không khí kéo qua (trước bộ tăng áp hoặc siêu nạp), trong khi loại thứ hai về mặt lý thuyết có thể được sử dụng không khí đẩy hoặc kéo (trước hoặc sau một ứng dụng cảm ứng cưỡng bức như loại siêu - hoặc bộ tăng áp). Thay vì tạo ra một điện áp không đổi được sửa đổi bởi hệ số điện trở, loại MAF này xuất ra một tần số mà sau đó ECU phải giải thích. Loại MAF này có thể được tìm thấy trên tất cả các DSM (Mitsubishi Eclipse, Eagle Talon, Plymouth Laser), nhiều Mitsubishis, một số Toyotas và Lexus, và một số BMW, trong số những loại khác./ These vortices can either be read directly as a pressure pulse against a sensor, or they can be made to collide with a mirror which will then interrupt or transmit a reflected light beam to generate the pulses in response to the vortices. The first type can only be used in pull-thru air (prior to a turbo- or supercharger), while the second type could theoretically be used push- or pull-thru air (before or after a forced induction application like the previously mentioned super- or turbocharger). Instead of outputting a constant voltage modified by a resistance factor, this type of MAF outputs a frequency which must then be interpreted by the ECU. This type of MAF can be found on all DSMs (Mitsubishi Eclipse, Eagle Talon, Plymouth Laser), many Mitsubishis, some Toyotas and Lexus, and some BMWs, among others.
 

Cảm biến màng/ Membrane sensor

Một công nghệ mới nổi sử dụng một màng điện tử rất mỏng đặt trong dòng khí. Màng có một cảm biến nhiệt độ màng mỏng được in ở phía đầu nguồn và một ở phía cuối nguồn. Một bộ gia nhiệt được tích hợp ở trung tâm của màng để duy trì nhiệt độ không đổi tương tự như cách tiếp cận dây nóng. Không có bất kỳ luồng không khí nào, nhiệt độ trên màng là đồng nhất. Khi không khí chảy qua màng, phía thượng lưu lạnh đi khác với phía hạ lưu. Sự khác biệt giữa nhiệt độ thượng lưu và hạ lưu cho biết khối lượng không khí. Cảm biến màng nhiệt cũng có khả năng đo dòng chảy theo cả hai hướng, điều này đôi khi xảy ra trong các tình huống xung động. Tiến bộ công nghệ cho phép loại cảm biến này được sản xuất ở quy mô siêu nhỏ như cảm biến vi mô bằng công nghệ hệ thống vi cơ điện tử. Một cảm biến vi mô như vậy đạt được tốc độ và độ nhạy cao hơn đáng kể so với các phương pháp tiếp cận vĩ mô. Xem thêm các thế hệ cảm biến MEMS./ An emerging technology utilizes a very thin electronic membrane placed in the air stream. The membrane has a thin film temperature sensor printed on the upstream side, and one on the downstream side. A heater is integrated in the center of the membrane which maintains a constant temperature similar to the hot-wire approach. Without any airflow, the temperature profile across the membrane is uniform. When air flows across the membrane, the upstream side cools differently from the downstream side. The difference between the upstream and downstream temperature indicates the mass airflow. The thermal membrane sensor is also capable of measuring flow in both directions, which sometimes occur in pulsating situations. Technological progress allows this kind of sensor to be manufactured on the microscopic scale as microsensors using microelectromechanical systems technology. Such a microsensor reaches a significantly higher speed and sensitivity compared with macroscopic approaches. See also MEMS sensor generations.
 

Yếu tố dòng chảy nhiều lớp/ Laminar flow elements

Các phần tử dòng chảy đo trực tiếp lưu lượng thể tích của chất khí. Chúng hoạt động trên nguyên tắc rằng, với dòng chảy tầng, chênh lệch áp suất trên đường ống là tuyến tính với tốc độ dòng chảy. Điều kiện dòng chảy nhiều lớp có trong một chất khí khi số Reynolds của chất khí dưới con số tới hạn. Độ nhớt của chất lỏng phải được bù đắp trong kết quả. Các phần tử dòng chảy nhiều lớp thường được xây dựng từ một số lượng lớn các đường ống song song để đạt được lưu lượng yêu cầu./ Laminar flow elements measure the volumetric flow of gases directly. They operate on the principle that, given laminar flow, the pressure difference across a pipe is linear to the flow rate. Laminar flow conditions are present in a gas when the Reynolds number of the gas is below the critical figure. The viscosity of the fluid must be compensated for in the result. Laminar flow elements are usually constructed from a large number of parallel pipes to achieve the required flow rating.