Pomiar masy zasysanego powietrza za pomocą przepływomierza jest stosowany w układach wielopunktowego wtrysku paliwa w celu oceny aktualnego obciążenia silnika. Przetworzony sygnał z przepływomierza powietrza stanowi informację o chwilowym obciążeniu silnika wynikającym głównie z zadanej dynamiki ruchu samochodu. Jest to podstawa do określenia dokładnej dawki paliwa, niezbędnej do poprawnej pracy silnika przy danym obciążeniu rzeczywistym. Sterowanie dawką paliwa wymaga dodatkowo informacji o czasie i ciśnieniu wtrysku oraz chwilowej wartości temperatury paliwa. Sygnał z przepływomierza powietrza jest jedną z najważniejszych informacji dla sterownika silnika. Pomiar ilości zasysanego powietrza (w silnikach niedoładowanych i doładowanych) sprowadzany jest zawsze do jednostki masy powietrza, tzn. wydatku masowego. Strumień zasysanego przez silnik powietrza – a więc pomiar wydatku masowego powietrza – jest wartością zmienną, zależną od okresów otwierania zaworów dolotowych i konstrukcji układu recyrkulacji spalin. Niekorzystnym zjawiskiem, mającym wpływ na dokładność pomiaru, jest powstawanie drgań mas powietrza przepływających przez układ dolotowy w suwie napełniania silnika. Podczas procesu napełniania najważniejszymi parametrami termodynamicznymi są: temperatura i ciśnienie otoczenia, temperatura i ciśnienie końca napełniania, współczynnik zanieczyszczeń ładunku spalinami wylotowymi oraz temperatura i ciśnienie gazów na wylocie. W silnikach z zapłonem iskrowym na wartość współczynnika napełniania ma wpływ wartość chwilowej prędkości obrotowej i chwilowego obciążenia silnika. Parametry wlotowe współczynnika napełniania mają istotny wpływ na kształt charakterystyki momentu obrotowego i mocy silnika, przy czym decydujące znaczenie ma wartość ciśnienia końca napełniania. Zwiększenie tej wartości można uzyskać między innymi przez wykorzystanie zależności końca napełniania od prędkości przepływu ładunku w kanale dolotowym. Związek ten uwzględnia się w koncepcyjnym projektowaniu kształtu kanałów dolotowych. Wykorzystuje się w nim zjawiska falowe i bezwładnościowe słupa powietrza przepływającego z dużą prędkością przez przewody i kanały dolotowe (spiętrzanie czynnika roboczego), doprowadzając do wzrostu ciśnienia końca napełniania tzw. doładowanie dynamiczne. Podobny efekt można uzyskać poprzez zastosowanie turbosprężarki lub sprężarki mechanicznej w połączeniu z doładowaniem dynamicznym. Wzrost wartości współczynnika napełniania przejawia się wówczas w pełnym zakresie zmian prędkości obrotowych, a nie – jak w przypadku doładowania dynamicznego – dla kilku wybranych wartości prędkości obrotowych (zazwyczaj dwóch).

Pulsacja powietrza dolotowego

W większości rozwiązań konstrukcyjnych tłokowych silników spalinowych niesymetryczny kształt kanału dolotowego powoduje, że przepływ strumienia mas powietrza jest asymetryczny i występuje zjawisko pulsacji mas powietrza. W celu uzyskania dokładnego wyniku, zgodnie z zasadą pomiaru ciśnienia dynamicznego, niezbędne jest uwzględnienie gęstości czynnika poddanego pomiarowi. W tym celu należy wziąć pod uwagę temperaturę i ciśnienie czynnika podczas napełniania (wlotu). Uwzględnienie tych parametrów jest niezbędnym warunkiem uzyskania poprawnego wyniku pomiarów, ponieważ gęstość czynnika (gazu) zależy od temperatury. Jest to szczególnie ważne w przypadku silników doładowanych, gdyż odgrywa w nich rolę zmienna wartość temperatury zasysanego powietrza w wyniku chłodzenia powietrza doładowującego za pomocą dodatkowych wymienników ciepła, tzw. chłodnica powietrza doładowującego. Tłokowy silnik czterocylindrowy o zapłonie iskrowym stanowi szczególny przypadek jeśli chodzi o pomiar wydatku mas powietrza ze względu na pojawiające się pulsacje wydatku powietrza między filtrem powietrza a przepustnicą. W celu poprawnego pomiaru mas zasysanego przez silnik powietrza musi on uwzględnić pomiar krótkotrwałego cofania czynnika, czyli tzw. przepływu zwrotnego. Pomiar korekcyjny powinien wyznaczyć wartość przepływu zwrotnego co do znaku chwilowej prędkości. Częstotliwość pulsacji jest dwukrotnie wyższa od częstotliwości obrotowej wału korbowego. Pomiar mas zasysanego powietrza wykonuje się poprzez: bezpośredni pomiar przepływomierzem, pomiar ciśnienia w kolektorze dolotowym oraz pomiar prędkości obrotowej silnika (lub położenia przepustnicy i prędkości obrotowej silnika). W stanie kontrolowanego przebiegu pracy silnika najdokładniejszą metodą pomiaru mas zasysanego powietrza jest pomiar z użyciem przepływomierza. Metoda ta pozwala na uzyskanie dużej dokładności. Jej zasadniczą wadą jest jednak nieliniowość charakterystyki, co wiąże się z koniecznością zastosowania dodatkowych układów elektronicznych do linearyzowania sygnału pomiarowego (konieczność uśredniania pomiarów).

Ze względu na możliwość generowania się błędów dynamicznych powstałych podczas uśrednienia danych pomiaru przed linearyzacją, przepływomierze powietrza muszą mieć dostatecznie duże pasmo przenoszenia (ok. 1000 Hz) oraz małą wartość stałej czasowej. Zapewnienie właściwych parametrów pomaga osiągnąć poprawną wartość próbkowania podczas fazy rozruchu silnika. W układach dolotowych silników pojazdów samochodowych przepływomierze powietrza są kalibrowane w strumieniu o profilu symetrycznym (wektor prędkości przepływu zależy wyłącznie od współrzędnej promieniowej i powierzchni przekroju poprzecznego rury dolotowej). Przepływ czynnika, tzn. prędkość w strumieniu przy przepływach logarytmicznych i turbulentnych, charakteryzowany jest przez stałą Reynoldsa (Re), której wartość decyduje o przynależności do danego typu przepływu. Poniżej wartości 1200 Re mówimy o przepływie laminarnym (statecznym), dla przedziału 1200–3000 – o przepływie przejściowym częściowo turbulentnym (burzliwym), przy wartościach większych przekraczających 3000 – o przepływie turbulentnym. Dla przepływu częściowo turbulentnego wszystkie obliczenia przeprowadza się z założeniem przepływu turbulentnego, gdyż dyssypacja energii w ruchu turbulentnym jest wyższa niż w laminarnym. Wartości poszczególnych faz przepływu nie są wartościami stałymi i zależą od różnych czynników, np. kształtu rury dolotowej, chropowatości powierzchni czy profilu całościowego. Prędkość charakterystyczną czynnika v (przepływu powietrza) należy rozumieć jako prędkość uśrednioną, odnoszącą się do rozpatrywanego przypadku (całościowo), a nie wybraną prędkość lokalną (chwilową). Jest to ważne dla zagadnień ukierunkowanych przepływów powietrza, szczególnie dla obliczeń mających na celu poprawę współczynnika napełniania cylindra przy pełnym obciążeniu. Gęstość czynnika ρ, tzn. lepkość dynamiczna μ, i kinematyczna η to parametry fizyczne czynnika, które są niezależne od jego ruchu (prędkości przepływu) i dla określonych substancji mają zazwyczaj wartości stałe.

W pojazdach samochodowych występuje zawsze przepływ turbulentny. W celu wzbudzenia przepływu turbulentnego, na drodze napływających mas powietrza ustawia się zaporę w postaci sita. Jest to sposób mechanicznego zwiększania czułości układu pomiarowego przy małych prędkościach obrotowych silnika. W praktyce niektóre układy dolotowe ze względów konstrukcyjnych wywołują przepływ asymetryczny strumienia powietrza. Przepływomierz powietrza musi być wówczas kalibrowany do warunków rzeczywistych zabudowy w silniku (konstrukcji układu dolotowego).

Pomiar masy powietrza

Współcześnie do pomiaru masy przepływającego powietrza przez układ dolotowy silnika wykorzystuje się przepływomierze masowe HLM (z termoanemometrem drutowym) lub przepływomierze HFM (z termoareometrem warstwowym). Termoanemometry są czujnikami masowego natężenia przepływu powietrza. Sygnał wytwarzany przez przepływomierz masowy powietrza HLM lub HFM wykorzystywany jest do obliczenia wielkości dawki wtrysku paliwa, a w silnikach z zapłonem samoczynnym do sterowania procesem recyrkulacją spalin (chwilą dotrysku dodatkowej dawki paliwa, określonej kątem obrotu wału korbowego). Działanie przepływomierza HLM polega na pomiarze natężenia przepływu prądu potrzebnego do wygenerowania stałej temperatury elementu grzejnego, chłodzonego napływającymi strugami powietrza. Przepływomierz HFM dokonuje pomiaru różnicy temperatur rezystorów umieszczonych w strudze napływającego powietrza podgrzewanych urządzeniem grzejnym. Składa się on z obustronnie chronionej siatką obudowy rurowej, przez którą przepływa strumień powietrza. Głównymi elementami pomiarowym jest platynowy drut (mający znaną rezystancję wewnętrzną), rezystor kompensacyjny, rezystor pomiarowy oraz rezystor wyrównawczy mostka Wheatstone’a. Rezystor kompensacji temperaturowej umieszczony jest przed drutem grzejnym (względem napływających strug powietrza). Przez element grzejny przepływa prąd elektryczny, rozgrzewając go do temperatury zależnej od rezystancji wewnętrznej drutu grzejnego i wartości natężenia prądu. Platynowy drut o średnicy ok. 0,07 mm nagrzewany jest przez układ elektroniczny do temperatury ok. 100°C. Drut grzejny wraz z rezystorem kompensacyjnym stanowią część obwodu regulacji, w skład którego wchodzą pozostałe elementy mostka i wzmacniacz. Rezystor kompensacyjny mierzy wartość temperatury napływających strug powietrza przez układ dolotowy silnika. W wyniku działania obwodu regulacji i podania prądu do elementu grzejnego zachowana jest określona nadwyżka temperaturowa elementu grzejnego do temperatury napływającego powietrza w kolektorze dolotowym. Wartość podanego prądu I lub napięcia U, są miarą przepływu masowego powietrza Qm.

Wartość prądu podawanego do elementu grzejnego reguluje się rezystorem pomiarowym, który zasilany jest napięciem, stanowiącym sygnał proporcjonalny do masy wydatku powietrza. Rozwiązanie to uwzględnia wpływ temperatury napływających strug powietrza (medium) i jego gęstość na pomiar wydatku masowego. Przebieg pomiaru realizowany jest w wyniku porównywania zmieniającej się rezystancji elementu grzejnego (drutu platynowego) i rezystora kompensacyjnego (wykonanego również z platyny), utrzymywanego w strudze napływającego powietrza. Wzmacniacz różnicowy reaguje na niezrównoważenie mostka przez podniesienie napięcia polaryzacji tranzystora zasilającego. Wszystkie trzy elementy (element grzejny, czujnik temperatury i rezystor pomiarowy) są zespolone jako rezystory warstwowe, umieszczone na spieku ceramicznym. Rezystor pomiarowy znajduje się poza strumieniem głównym przepływomierza, co sprawia, że nie jest on narażony bezpośrednio na działanie czynników zewnętrznych (napływających wraz ze strugami powietrza zanieczyszczeń). W przepływomierzu masowym powietrza HLM nie ma rozdziału funkcji pomiędzy elementami grzejnymi, a elementami pomiarowymi.
Przepływomierze HFM stanowią najnowsze rozwiązanie przepływomierzy masowych powietrza. Mają dodatkową funkcję, umożliwiającą pomiar kierunku przepływu powietrza. Przepływomierz wyposażony w ową funkcję jest w stanie wykryć przepływy zwrotne (ze skrzyni korbowej silnika), pojawiające się podczas pulsacji przepływu głównego strumienia powietrza. Funkcje grzewcza i pomiarowa są rozdzielone na sekcje. Element pomiarowy (mikromechaniczny czujnik typu „plug-in”) umieszczony jest we wspólnej obudowie ze złączem wtykowym w obudowie przepływomierza masowego powietrza HFM5 w kolektorze dolotowym silnika. Czujnik typu „plug-in” może być umieszczony również w obudowie filtra powietrza. Przedmuchy ze skrzyni korbowej (przepływy zwrotne) mają negatywny wpływ na zanieczyszczanie elementu pomiarowego (drutu płytkowego), cząstkami stałymi i substancjami ciekłymi, np. resztkami oleju. Regeneracja elementu pomiarowego polega na jego nagrzaniu do temperatury 1000°C w czasie ok. 1 s w wyniku podania napięcia wyższego od 5 V na pin 4 złącza wtykowego.

Z podgrzewaniem

Kanał pomiarowy zbudowany jest tak, aby powietrze bez zawirowań turbulentnych przepływało przez elektroniczny element pomiarowy czujnika. W starszych rozwiązaniach (HFM2) rezystor grzewczy Rg nagrzewa napływający strumień powietrza, które powoduje wzrost temperatury rezystora R2. Rezystor R1 pełni rolę kompensatora, uwzględniając zmianę wartości temperatury napływającego powietrza. W przepływomierzu masowym powietrza HFM5 elementem pomiarowym czujnika jest mikromechaniczna przepona rezystancyjna ogrzewana do stałej temperatury. Po obu stronach kanału (pomiędzy strefą stałej temperatury) panuje różna temperatura. W punktach pomiarowych umieszczone są (w takiej samej odległości) dwa rezystory pomiarowe, które w wyniku zmiany temperatury w danym punkcie pomiarowym zmieniają swoją rezystancję. Przepływ strumienia powietrza przez kanał pomiarowy powoduje zmianę wartości temperatur w punktach pomiarowych. W części wlotowej spadek temperatury następuje szybciej w wyniku napływu strug powietrza. Różnica temperatur wywołana w punktach pomiarowych przez ciepło przejmowane od elementu grzejnego do napływającego powietrza zależna jest od prędkości opływu strug powietrza elementu pomiarowego. Różnica temperatur w punktach pomiarowych jest miarą wydatku masowego powietrza i zależy od zwrotu prędkości napływu powietrza w kanale pomiarowym. Zwrot napływu strug powietrza definiowany jest spadkiem temperatury w punkcie pomiarowym, np. T1>T2, a więc napływ strug powietrza ma zwrot w kierunku punktu pomiarowego M2. Reakcja czujnika ze względu na charakter mikromechaniczny (grubość) przepony przyjmuje wartość poniżej 15 ms. Przepływomierz masowy powietrza HFM5 wyposażony jest w dodatkowy układ scalony (mikrokontroler przetwornikowy), który odczytaną w punkach pomiarowych M1 i M2 różnicę temperatur ΔT przekształca na sygnał (napięcie wyjściowe UW) przesyłany do sterownika silnika. Standardowo wartość przesyłanych sygnałów mieści się w granicy od 0 V do 5 V. Na podstawie przesłanych sygnałów w odniesieniu do charakterystyki zapisanej w pamięci EEPROM sterownik silnika oblicza masowy wydatek powietrza.
W kolejnym wydaniu „autoEXPERTA” opisana zostanie diagnostyka oraz wymiana przepływomierzy.