Cảm biến lưu lượng khối (không khí) (MAF) là cảm biến được sử dụng để xác định lưu lượng dòng khí đi vào động cơ đốt trong phun nhiên liệu.
Thông tin về khối lượng không khí cần thiết để bộ điều khiển động cơ (ECU) cân bằng và cung cấp khối lượng nhiên liệu chính xác cho động cơ. Không khí thay đổi mật độ 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 nạp cưỡng bức, điều đó có nghĩa là cảm biến lưu lượng khối thích hợp hơn cảm biến lưu lượng thể tích để xác định lượng không khí nạp vào mỗi xi lanh.
Cảm biến MAF là gì?
Cảm biến MAF là một phần không thể thiếu trong hệ thống quản lý động cơ xe của bạn. Đó là một thiết bị nhỏ đo lượng không khí đi vào động cơ. Dữ liệu này rất quan trọng để bộ điều khiển động cơ (ECU) tính toán chính xác lượng nhiên liệu cần thiết để đốt cháy hiệu quả.
- Đo lượng không khí đi vào động cơ
- Chuyển tiếp thông tin tới ECU
- ECU sử dụng thông tin này để xác định lượng nhiên liệu cần phun
- Đảm bảo rằng động cơ nhận được lượng nhiên liệu chính xác để đạt được hỗn hợp không khí/nhiên liệu chính xác
Cảm biến MAF được đặt giữa vỏ bộ lọc gió và thân van tiết lưu. Có rất nhiều loại MAF, nhưng đại đa số trông giống như các ống trụ bằng nhựa có phích cắm dây ở bên cạnh. Phích cắm này là phần nhìn thấy được của cảm biến, kéo dài vào phần vỏ nhựa.
Các thiết kế cũ hơn sẽ có vỏ nhôm lớn với hộp nhựa hình chữ nhật ở trên.
Bên trong cảm biến MAF có cấu trúc giống như tổ ong với các thiết bị điện tử phức tạp được tích hợp bên trong vỏ nhựa.
Các loại cảm biến MAF
Cảm biến lưu lượng khí kiểu cánh gạt (Vane air flow – VAF)
Cảm biến VAF đo động lượng của luồng không khí vào động cơ bằng một cánh gió lò xo (nắp/cửa) gắn với một điện trở thay đổi (chiết áp). Cánh gạt di chuyển tỷ lệ thuận với động lượng của 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 quay của cánh gạt hoặc chuyển động của cánh gạt có thể điều chỉnh trực tiếp lượng nhiên liệu được phun vào, như trong hệ thống K-Jetronic.
Nhiều cảm biến VAF có vít điều chỉnh không khí-nhiên liệu, giúp mở hoặc đóng một đường dẫn khí nhỏ ở bên cạnh cảm biến VAF. Vít này điều khiển hỗn hợp không khí-nhiên liệu bằng cách cho một lượng không khí đi qua nắp gió, từ đó làm nghèo hoặc làm giàu hỗn hợp. Bằng cách xoay vít theo chiều kim đồng hồ, hỗn hợp sẽ được làm giàu và ngược chiều kim đồng hồ, hỗn hợp sẽ nghèo.
Cánh gạt chuyển động nhờ lực cản của luồng không khí tác dụng lên nó; nó không đo thể tích hoặc khối lượng một cách trực tiếp. Lực cản phụ thuộc vào mật độ không khí (mật độ không khí lần lượt phụ thuộc vào nhiệt độ không khí), tốc độ không khí và hình dạng của cánh. Một số cảm biến VAF bao gồm một cảm biến nhiệt độ không khí nạp bổ sung (cảm biến IAT) để cho phép ECU động cơ tính toán mật độ không khí và lượng nhiên liệu cung cấp tương ứng.
- Fd: Lực cản
- ρ : Mật độ chất lỏng/khí
- u: Vận tốc dòng chảy
- Cd: Hệ số cản
- A: Diện tích cản/diện tích tham chiếu
Phương pháp đo cánh gạt có một số nhược điểm:
- Nó hạn chế luồng không khí làm giới hạn công suất động cơ.
- Các tiếp điểm điện hoặc cơ chuyển động của nó có thể bị mòn.
- Việc tìm một vị trí lắp đặt phù hợp trong khoang động cơ hạn chế là một vấn đề.
- Cánh gạt phải được định hướng theo trọng lực.
- Ở một số nhà sản xuất, bộ điều khiển bơm nhiên liệu cũng là một phần của hệ thống dây điện bên trong VAF.
Cảm biến MAF dây nóng (Hot wire)
Cảm biến lưu lượng khí dạng dây nóng xác định khối lượng không khí chảy vào hệ thống nạp khí của động cơ. Nguyên lý của cảm biến Hot wire là làm nóng một sợi dây (bạch kim) dẫn lơ lửng trong luồng không khí của động cơ, bằng cách đặt một điện áp không đổi lên dây. Điện trở của dây tăng khi nhiệt độ của dây tăng, làm thay đổi dòng điện chạy qua mạch, theo định luật Ohm. Khi không khí đi qua dây, dây nguội đi, điện trở giảm, điều này cho phép nhiều dòng điện chạy qua mạch hơn, vì điện áp nguồn không đổi. Khi có nhiều dòng điện chạy qua, nhiệt độ của dây tăng lên cho đến khi điện trở trở lại trạng thái cân bằng. Cường độ dòng điện tăng hoặc giảm tỷ lệ thuận với khối lượng không khí đi qua dây dẫn. Mạch điện tử tích hợp chuyển đổi phép đo tỷ lệ thành điện áp tỷ lệ được gửi đến 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 đậm đặc hơn sẽ loại bỏ nhiều nhiệt hơn khỏi dây cho thấy luồng không khí có khối lượng cao hơn. Không giống như bộ phận cảm biến cánh gạt, dây nóng phản ứng trực tiếp với mật độ không khí, về cơ bản phản ứng với khối lượng không khí chứ không phải thể tích không khí.
Cảm biến này đôi khi sử dụng vít hỗn hợp, nhưng vít này hoàn toàn là điện tử và sử dụng điện trở thay đổi (chiết áp) thay vì vít dẫn khí. Vít cần nhiều vòng hơn để đạt được kết quả mong muốn. Mạch làm sạch dây nóng được sử dụng trên một số cảm biến này. Rơle làm sạch cung cấp dòng điện cao qua dây nóng bạch kim sau khi xe tắt trong khoảng một giây, do đó đốt cháy hoặc làm bay hơi mọi chất gây ô nhiễm bám vào phần tử dây nóng bạch kim.
Cảm biến MAF màng nóng (Hot Film) hoạt động tương tự như cảm biến MAF dây nóng, nhưng thay vào đó nó thường phát ra tín hiệu tần số. Cảm biến này sử dụng lưới màng nóng thay vì dây nóng. Nó thường được tìm thấy vào cuối những năm 1980 và đầu những năm 1990 trên các phương tiện phun nhiên liệu. Tần số đầu ra tỷ lệ thuận với khối lượng không khí đi vào động cơ. Vì vậy, khi lưu lượng lớn tăng thì tần số cũng tăng. Những cảm biến này có xu hướng gây ra các sự cố không liên tục do lỗi điện bên trong. Nên sử dụng máy hiện sóng để kiểm tra tần số đầu ra của các cảm biến này. Biến dạng tần số cũng thường xảy ra khi cảm biến bắt đầu hỏng.
Cảm biến MAF Coldwire
Dòng động cơ GM LS (cũng như các loại 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 một điện trở “lạnh” bổ sung 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. Lưới trên MAF được sử dụng để điều chỉnh luồng không khí nhằm đảm bảo các cảm biến có cơ hội đọc ổn định tốt nhất. Nó không được sử dụng để đo lưu lượng không khí thực chất.
Cảm biến xoáy Kármán
Cảm biến xoáy Kármán hoạt động bằng cách làm gián đoạn luồng không khí bằng một cánh cung vuông góc. Với điều kiện dòng chảy vào là tầng, dòng đuôi bao gồm mô hình dao động của các xoáy Kármán. Tần số của mẫu thu được tỷ lệ thuận với vận tốc không khí.
Các xoáy này có thể được đọc trực tiếp dưới dạng xung áp suất đối với cảm biến hoặc chúng có thể được tạo ra để va chạm với gương, sau đó sẽ làm gián đoạn hoặc truyền chùm ánh sáng phản xạ để tạo ra các xung phản ứng với các xoáy. Thay vì xuất ra một điện áp không đổi được điều chỉnh bởi hệ số điện trở, loại MAF này tạo ra một tần số mà ECU sau đó phải giải thích. Loại MAF này có thể được tìm thấy trên Mitsubishi Eclipse, Eagle Talon, Plymouth Laser, một số mẫu Toyota và Lexus, và một số xe BMW, cùng nhiều loại khác.
Cảm biến màng
Một công nghệ mới nổi sử dụng màng điện tử rất mỏng được đặt trong luồng không khí. Màng này có một cảm biến nhiệt độ màng mỏng được in ở mặt trước (thượng lưu) và một cảm biến ở mặt sau (hạ lưu). Một bộ gia nhiệt được tích hợp ở giữa màng để duy trì nhiệt độ không đổi tương tự như phương pháp sử dụng dây nóng. Không có luồng không khí, nhiệt độ trên màng là đồng nhất. Khi không khí đi qua màng, phía thượng lưu nguội đi khác với phía hạ lưu. Sự chênh lệch giữa nhiệt độ thượng lưu và hạ lưu xác định lưu lượng khối 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 dao động. Tiến bộ công nghệ cho phép loại cảm biến này được chế tạo ở quy mô hiển vi dưới dạng vi cảm biến sử dụng công nghệ hệ thống vi cơ điện tử. Một vi cảm biến như vậy đạt tốc độ và độ nhạy cao hơn đáng kể so với các phương pháp tiếp cận vĩ mô.
Cảm biến MAF Các phần tử dòng chảy tầng
Các phần tử dòng chảy tầng đo trực tiếp lưu lượng thể tích của khí. Chúng hoạt động theo nguyên tắc, với dòng chảy tầng, chênh lệch áp suất trên đường ống tỷ lệ tuyến tính với tốc độ dòng chảy. Điều kiện dòng chảy tầng xuất hiện trong chất khí khi số Reynolds của chất khí nhỏ hơn giá trị tới hạn. Kết quả là độ nhớt của chất lỏng phải được bù. Các phần tử dòng chảy tầng thường được chế tạo từ một số lượng lớn các ống song song để đạt được lưu lượng yêu cầu.
