Współczesne silniki spalinowe mają bardzo duże możliwości samoregulacji. Sterowniki silnika potrafią dostosować skład mieszanki paliwowo-powietrznej do aktualnych warunków jazdy, aby zoptymalizować zużycie paliwa, zachować narzucone przez przepisy normy emisji spalin, a przede wszystkim zapewnić potrzebną moc i moment obrotowy.

Uzyskanie pożądanych efektów jest możliwe jedynie pod warunkiem skoordynowanej, precyzyjnej regulacji wielu parametrów, wśród których najważniejsze są skład i masa mieszanki paliwa i powietrza. Precyzyjna regulacja ilości paliwa i powietrza jest możliwa tylko pod warunkiem dostarczenia kontrolerowi wiarygodnych danych o rzeczywistej podaży powietrza i paliwa.

Co mierzymy?

Aby dobrać optymalne proporcje, trzeba odwołać się do chemii spalania węglowodorów. Spalanie wymaga obecności paliwa oraz tlenu w takich proporcjach, aby jak najwięcej atomów węgla (a najlepiej wszystkie) mogło połączyć się z tlenem. Jeśli brakuje tlenu, spalanie jest niepełne i powstaje zabójczy tlenek węgla. Co więcej, część paliwa podanego do cylindra nie spala się, tylko jest wyrzucana razem ze spalinami. Spalanie jest więc nieefektywne, ponieważ bezpowrotnie tracimy energię, którą można by uzyskać, spalając te zmarnowane resztki paliwa.

Proporcje paliwa i tlenu mierzy się, określając masę obu składników, i tutaj pojawia się pewien problem. Paliwo ma stałą gęstość określoną normami. Z dużą dokładnością można więc obliczyć masę paliwa podanego do cylindra, znając jego objętość. Jeśli potrafimy zmierzyć prędkość przepływu paliwa przez przewód o znanym przekroju, to mamy wszystkie potrzebne informacje.

Pomiar masy tlenu dostarczanego do mieszanki nie jest tak prosty. Z konieczności trzeba się posługiwać pomiarem pośrednim, a więc mniej dokładnym. Powietrze pobierane z atmosfery jest mieszaniną wielu gazów, między innymi tlenu. Zawartość tlenu wynosi około 21%, ale może się zmieniać w zależności od okoliczności, np. wysokości nad poziomem morza. Co więcej, powietrze (ponieważ jest gazem) nie ma stałej gęstości; zmienia się ona wraz ze zmianami ciśnienia atmosferycznego i temperatury. W konsekwencji pomiar prędkości przepływu powietrza przez przewód o znanej średnicy daje jedynie przybliżoną informację o masie pobranego powietrza, a więc także ilości tlenu. Technicznie najprostsza metoda jest więc najmniej dokładna, co nie znaczy, że nie była stosowana.

Pomiar objętości czy masy?

Historycznie najstarsza metoda kontroli masy powietrza pobieranego przez silnik wykorzystywała fakt powstawania różnicy ciśnień po dwóch stronach przewodu, w którym umieszczano ruchomą przegrodę o niewielkich oporach ruchu. Im większa była prędkość powietrza, tym większa siła działała na wspomnianą przegrodę, odchylając ją od położenia spoczynkowego. Ponieważ masa przegrody (klapy) była znana, a dodatkowo siła pochodząca od przepływającego powietrza była równoważona przez sprężynę o znanych parametrach, można było założyć, że kąt wychylenia klapy odpowiadał prędkości przepływu, a pośrednio także masie przepływającego powietrza. Zmiany kąta wychylenia klapki odpowiadały zmianom rezystancji połączonego z nią potencjometru. Dalej sygnał był przekazywany w postaci zmian natężenia prądu o znanym napięciu zasilającego potencjometr.

Przepływomierze tego rodzaju, przy wszystkich swoich niedostatkach, miały też kilka zalet. Prosta konstrukcja skutkowała niską awaryjnością, a jeśli już doszło do usterki, często można było ją usunąć bez potrzeby wymiany całego podzespołu. Zdarzały się uszkodzenia potencjometru, zatarcie klapy pomiarowej, rozciągnięcie lub zgubienie sprężyn.

Nowsze silniki i lepsze algorytmy sterowania potrzebują dokładniejszych informacji – najlepiej bezpośrednio o masie przepływającego powietrza, bo wtedy pomiar będzie niezależny od zmian ciśnienia, temperatury, wilgotności i innych czynników. Spośród wielu teoretycznie dostępnych metod wybrano dość dokładną, choć nieco kłopotliwą, którą można nazwać kalorymetryczną. Opiera się ona na pomiarze ilości ciepła pobieranego przez powietrze opływające element pomiarowy.

Sposoby pomiaru

Zasada pomiaru przepływu powietrza jest następująca: w świetle przewodu dolotowego, między przepustnicą a filtrem powietrza, umieszcza się niewielką grzałkę i termistor mierzący jej temperaturę. Załóżmy, że przez przewód nie przepływa powietrze. Włączamy grzałkę i czekamy, aż osiągnie ona odpowiednią temperaturę. Przez grzałkę płynie prąd o znanym napięciu i natężeniu, wiemy więc, jaką pracę wykonuje prąd. Jeśli założymy, że niemal cała ta praca jest zamieniana w ciepło, możemy z dużym prawdopodobieństwem określić ilość ciepła odbieranego przez powietrze otaczające grzałkę.

Następnie włączamy przepływ powietrza (uruchamiamy silnik). Masa powietrza opływającego grzałkę jest większa, więc może ono odebrać większą ilość ciepła. To powoduje spadek temperatury grzałki, ale układ sterujący dąży do jej wyrównania. Może to zrobić tylko w jeden sposób: zwiększając natężenie prądu do momentu, aż większa praca prądu zrównoważy ubytek ciepła. Jeśli masa przepływającego powietrza będzie mniejsza, sytuacja się odwróci: temperatura grzałki wzrośnie powyżej zadanej, co spowoduje zmniejszenie natężenia prądu. Natężenie prądu przepływającego przez grzałkę odpowiada więc wprost masie opływającego ją powietrza. Aby zwiększyć dokładność pomiaru, można wprowadzić jeszcze jeden termistor mierzący temperaturę powietrza na wlocie.

W tego typu przepływomierzach częstą awarią jest przepalenie albo zerwanie włókna grzałki pod wpływem drgań lub udaru. Zdarzają się też poważne błędy pomiaru spowodowane zanieczyszczeniem powierzchni grzałki i termistora. Jeśli próba delikatnego oczyszczenia wnętrza przepływomierza się nie powiedzie, pozostaje wymiana podzespołu na nowy.

Trzeci rodzaj czujnika masy powietrza jest najbardziej skomplikowany, ale także najbardziej precyzyjny i trwalszy od wariantu z elementem grzejnym. Pomysł polega na wykorzystaniu zmian w propagacji ultradźwięków w burzliwym strumieniu powietrza. W elemencie pomiarowym umieszcza się przegrodę wzbudzającą w strumieniu przepływającego powietrza wiry. W płaszczyźnie prostopadłej do kierunku przepływu powietrza zamontowane są nadajnik i odbiornik ultradźwięków. Amplituda fali opuszczającej nadajnik jest stała, natomiast amplituda napięcia wytwarzanego przez odbiornik zależy od pochłaniania ultradźwięków w powietrzu. Ono z kolei zależy od masy przepływającego powietrza.

Ta metoda wymaga zastosowania wyspecjalizowanego układu obliczającego masę powietrza na podstawie wyników bezpośrednich pomiarów natężenia ultradźwięków. Jest ona najdokładniejsza, ale tylko wtedy, gdy element pomiarowy jest bardzo starannie wykonany i skalibrowany. Ważne są wszystkie wymiary wewnętrzne i zachowanie właściwej geometrii elementów wzbudzających wiry. Liczy się więc precyzja wykonania i jakość materiałów, które nie mogą się odkształcać podczas pracy.

Diagnostyka

Typowymi objawami uszkodzenia elementu pomiarowego są: utrata mocy silnika, problemy z rozruchem, niestabilna praca silnika na biegu jałowym oraz zwiększone zużycie paliwa. Diagnozę potwierdza odczytanie komunikatów błędów ze sterownika oraz pomiar ciągłości obwodów, rezystancji elementów pomiarowych i ich zmian. W przypadku elementów wykorzystujących ultradźwięki należy się kierować przede wszystkim komunikatami diagnostycznymi.

Piotr Kołaczek