Właściwości eksploatacyjne przepływomierzy powietrza wlotowego silników spalinowych pojazdów mechanicznych

DZIUBAK Tadeusz Właściwości eksploatacyjne przepływomierzy powietrza wlotowego silników spalinowych pojazdów mechanicznych WSTĘP Poruszające się po drogach miliony samochodów wytwarzają ogromne ilości spalin, zawierających szkodliwe dla środowiska składniki toksyczne, których zawartość zależy od właściwego składu mieszanki paliwowo-powietrznej i prawidłowego procesu spalania w cylindrach silnika tłokowego. Z powodu stale zmieniającego się obciążenia silnika, a także w wyniku wzrostu oporu filtru powietrza, ulega zmianie także masa zasysanego powietrza do cylindrów silnika. W wyniku zwiększonych oporów przepływu na filtrze, zmniejszona masa powietrza oznacza mniejszą ilość paliwa, jaka może być spalona. Aby móc sterować procesem spalania tak, by w spalinach uzyskać jak najmniejszą ilość szkodliwych substancji, należy bardzo precyzyjnie określić masę powietrza dopływającego do cylindrów silnika. Zadanie to spełniają przepływomierze powietrza, zwane też czujnikami masy powietrza, od których wymaga się dokładności pomiaru masy powietrza nie mniejszej niż % []. Jednostka sterująca zmniejsza masę doprowadzonego paliwa zapewniając tym samym odpowiedni skład mieszanki paliwowo-powietrznej, co pociąga za sobą spadek mocy i momentu obrotowego, lecz nie ma to wpływu na wzrost zawartości toksycznych składników spalin. Podstawową przyczyną błędnego pomiaru masy powietrza, a ty samym przyczyną zakłócenia procesu przygotowania mieszanki i spalania są niesprawności przepływomierza powietrza. Wpływają one na niewłaściwą pracę silnika powodując spadek mocy i wzrost toksyczności spalin. Każda niesprawność przepływomierza powietrza ma swoje przyczyny, których znajomość oraz analiza jest ważna ze względu na podjęcie odpowiednich działań zapobiegających ich powtórnemu powstaniu. Dlatego celowym jest wykonanie za każdym razem szczegółowej diagnostyki przepływomierza powietrza zgodnie z warunkami technicznymi dla danego typu przepływomierza i silnika z wykorzystaniem odpowiednich przyrządów dostępnych w stacjach serwisowych samochodów.. ZADANIA I BUDOWA PRZEPŁYWOMIERZY POWIETRZA Zadaniem przepływomierzy powietrza jest określenie masy powietrza płynącego do cylindrów przy danym obciążeniu silnika i prędkości obrotowej oraz stanie technicznym filtru powietrza, a następnie przesłanie tej informacji w postaci sygnału napięciowego U do jednostki sterującej komputera pokładowego. Ze znajdującej się w pamięci sterownika charakterystyce przepływomierza Q m = f(u) następuje odczyt strumienia powietrza Q m. Dzięki tej informacji, a także informacjom, między innymi o położeniu wału korbowego, temperaturze silnika, położeniu przepustnicy mieszanki czy składzie spalin, zostaje podana odpowiednia dawka paliwa, która gwarantuje odpowiedni skład mieszanki i poprawną pracę jednostki napędowej. W systemach wtrysku benzyny dzięki informacji z przepływomierza powietrza sterownik silnika może obliczyć czas trwania wtrysku i moment zapłonu. Masa zasysanego powietrza jest także wielkością referencyjną umożliwiającą sterowanie regeneracją filtra z węglem aktywnym oraz ogranicznikiem momentu obrotowego. W silnikach Diesla informacja o masie zasysanego powietrza wykorzystywana jest między innymi do sterowania recyrkulacją spalin, wyznaczania dawek maksymalnych, a także, jako korekta przy obliczaniu czasu trwania wtrysku. W zależności od masy powietrza dostarczonego do silnika i w oparciu o sygnał z sondy λ znajdującej się w układzie wylotowym, która na bieżąco monitoruje ilość tlenu w spalinach oraz Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego w Warszawie, Wydział Mechaniczny; -98 Warszawa; ul. Generała Sylwestra Kaliskiego. Tel: +48 68-7-, tadeusz.dziubak@wat.edu.pl 7

sygnałów od innych czujników określających fazę pracy silnika, jednostka sterująca tak dobiera dawkę paliwa (dozowaną przez wtryskiwacze w określonym czasie), aby trafiająca do cylindrów silnika mieszanka miała skład stechiometryczny (λ = ), a poziom emisji poszczególnych składników toksycznych spalin określonych w kolejnych edycjach norm Euro dla wybranych kategorii pojazdów silnikowych nie przekraczał dopuszczalnych wartości. Zgodnie z rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z dnia kwietnia 4r. dla samochodów zarejestrowanych po raz pierwszy od dnia lipca 995 r. wartość współczynnika nadmiaru powietrza λ dla silników o ZI powinna zawierać się w zakresie λ =,97, (tabela ). Dzięki osiągnięciu takiej wartości, emisja toksycznych składników spalin, jakimi są węglowodory CH, tlenki azotu NO X i tlenek węgla CO nie przekraczają dopuszczalnych norm. Tab.. Poziom emisji zanieczyszczeń gazowych CO, CH i współczynnika namiaru powietrza λ [8] Pojazd Samochodowy Prędkość obrotowa silnika n [obr./min] Zawartość CO w % objętości spalin, CH w ppm (cząstki na milion) oraz współczynnik λ dla pojazdu zarejestrowanego po raz pierwszy od dnia do dnia od dnia VII 995 r. do dnia od dnia X 986r. IX IV 4 r. V 4r. do dnia 986r. VI 995r. CO CO CO CH λ CO λ 9 4,5,5,5 -, - - -,,97,,,97, Wprowadzenie norm dotyczących maksymalnej zawartości toksycznych składników spalin wymusza ciągłe doskonalenie konstrukcji silników, której celem jest stałe doskonalenie przebiegu procesu spalania oraz poprawa efektywności ich pracy. Producenci silników chcąc spełnić coraz ostrzejsze normy Euro emisji składników toksycznych ciągle doskonalą rozwiązania konstrukcyjne układu zasilania powietrzem, cyrkulacji spalin, zasilania paliwem, w tym jakość rozpylenia paliwa i przebieg jego podawania do cylindrów silnika. Istotną rolę w rozwiązaniu tego problemu odgrywa przepływomierz powierza umiejscowiony w układzie dolotowym silnika bezpośrednio za filtrem powietrza (rys. ). Dzięki takiemu położeniu do przepływomierza napływa powietrze oczyszczone. Elementy pomiarowe przepływomierzy powietrza są bardzo czułe na zanieczyszczenia mechaniczne (pył), wilgoć i opary oleju. 8 7 6 5 4 Rys.. Schemat umiejscowienia przepływomierza powietrza w układzie dolotowym silnika spalinowego samochodu osobowego: a) schemat układu, b) przepływomierz HFM6, czerpnia filtru powietrza, filtr powietrza, przepływomierz powietrza, 4 przepustnica, 5 kolektor dolotowy, 6 układ odpowietrzania skrzyni korbowej, 7 układ recyrkulacji spalin, 8 zawór recyrkulacji W układach zasilania powietrzem silników współczesnych samochodów stosuje się trzy rodzaje przepływomierzy powietrza wlotowego: a) objętościowy z przesłoną spiętrzającą (klapowy LMM), b) masowy z termoanemometrem drutowym (HLM), c) masowy z termoanemometrem warstwowym (HFM, HFM5). 8

Przepływomierz objętościowy z przesłoną spiętrzającą (klapowy LMM) był jednym z najwcześniej stosowanych przepływomierzy powietrza wlotowego silników spalinowych. Jego zastosowanie spotyka się jeszcze w licznych silnikach o ZI wyposażonych w układy L-Jetronic lub M-Motronic. Podstawowym elementem przepływomierza LMM jest podwójna ruchoma przesłona (spiętrzająca i kompensacyjna) połączona z osią i sprężyną, która ustala przesłonę spiętrzającą w pozycji spoczynkowej w chwili, gdy zanika przepływ strumienia powietrza (rys. ). Sygnał wyjściowy U w /U z Sygnał wyjściowy U w [v].8.6.4. Przepływ w kierunku silnika Rys.. Przepływomierz powietrza z przesłoną spiętrzającą firmy Bosch: a) główne elementy, b) przebieg napięcia wyjściowego w funkcji strumienia objętościowego, przesłona kompensacyjna, komora kompensacyjna, kanał obejściowy, 4 przesłona spiętrzająca, 5 śruba regulacyjna [] Przepływający strumień powietrza odchyla przesłonę spiętrzającą pokonując siłę sprężyny. Zmiana położenia przysłony (wychylenie) powiększa swobodny przekrój przepływu wraz z wzrostem wartości strumienia powietrza. Każdy ruch przesłony powoduje obrót osi i połączonego z nią trwale ramienia będącego suwakiem potencjometru. Ruch ramienia potencjometru powoduje zmianę rezystancji, a tym samym zmianę napięcia wyjściowego, będącego miarą strumienia powietrza Q V. Przepływomierz powietrza z termoanemometrem drutowym (HLM) stosuje się w niektórych silnikach o ZI wyposażonych w układ L-Jetronic bądź M-Motronic. Zasada działania tego przepływomierza polega na pomiarze natężenia prądu potrzebnego do utrzymania stałej temperatury elementu grzanego elektrycznie, omywanego przez strugę przepływającego czynnika. Rejestruje on pobierany przez silnik masowy strumień powietrza Q m. Podstawowym elementem przepływomierza jest cylindryczna obudowa (rys. ), środkiem której przepływa strumień powietrza do silnika. c) 4 6 8 Strumień powietrza Q V [m /h] 6 5 4 Przepływ w kierunku silnika 4 6 8 Strumień powietrza Q m [kg/h] Rys.. Przepływomierz powietrza z termoanemometrem drutowym HLM. a) widok ogólny, b) układ pomiarowy, c) charakterystyka - przebieg napięcia wyjściowego U w w funkcji strumienia masowego Q m Między ścianami obudowy prostopadle do kierunku przepływu strumienia powietrza rozpięty jest platynowy drut o grubości 7 µm. Na wlocie i wylocie obudowy znajduje się siatka ochronna, której zadaniem jest ochrona wnętrza przepływomierza przed zanieczyszczeniami, a także wymuszanie turbulentnego przepływu powietrza przez gardziel przepływomierza. Zaletą przepływomierza z termoanemometrem drutowym jest to, że nie zwiększa on oporów przepływu powietrza w układzie dolotowym silnika, co występowało w przypadku stosowania 9

Sygnał wyjściowy U w [v] przepływomierza z przesłoną spiętrzającą. Wyeliminowanie związanego z tym dodatkowego dławienia przepływu umożliwia osiągnięcie większej mocy maksymalnej silnika. Przepływomierz typu HFM masowy z termoanemometrem warstwowym (z gorącą warstwą) (rys. 4) ma czujnik pomiarowy w postaci bardzo cienkiej membrany, zwanej również filmem, z naniesionymi odpowiednimi obwodami pomiarowymi. Rys. 4. Przepływomierz powietrza typu HFM6 Bosch: a) widok ogólny ( obudowa, czujnik, kratka wlotowa), b) czujnik (4 element pomiarowy, 5 układ elektroniczny, 6 interfejs cyfrowy) [6] Po obu stronach membrany umieszczone są symetrycznie dwa rezystory pomiarowe R i R (rys. 5a). Ich rezystancja zmienia się wraz z temperaturą. Gdy strumień powietrza ma wartość zerową, czyli powietrze nie przepływa przez przepływomierz, temperatury obu rezystorów są takie same, a wtedy masowe natężenie przepływu równa się zero. Gdy powietrze przepływa przez obszar kanału pomiarowego w stronę silnika (rys. 5) przejmuje ciepło od elementu grzejnego, co powoduje obniżenie temperatury rezystorów R i R. Temperatura rezystora przedniego R jest niższa gdyż przepływające powietrze ochładza ten obszar intensywniej. Podgrzany strumień powietrza w kontakcie z rezystorem R (bliżej silnika) powoduje jego mniejsze ochłodzenie, a więc jego temperatura jest znacznie wyższa niż rezystora R. 6 5 Przepływ w kierunku silnika 4 Przepływ w kierunku filtru powietrza - 4 6 8 Strumień powietrza Q m [kg/h] Rys. 5. Przepływomierz HFM5: a) zasada pomiaru strumienia powietrza, b) charakterystyka przepływomierza: rozkład temperatury w gorącej strefie bez przepływu, rozkład temperatury przy napływie powietrza, element pomiarowy, 4 gorąca strefa, 5 membrana rezystancyjna, 6 obudowa przepływomierza, M, M punkty pomiarowe, T, T temperatura w punktach pomiarowych [] Układ elektroniczny utrzymuje temperaturę elementu grzejnego większą od temperatury przepływającego powierza o stałą wartość. Ta różnica w różnych konstrukcjach przepływomierzy zawiera się w granicach 8 o C. Ciepło przejmowane od elementu grzejnego do napływającego powietrza, a więc i rozkład temperatury, zależy od prędkości powietrza opływanego wokół elementu pomiarowego, a więc od strumienia powietrza. Różnica temperatur ΔT między rezystorami przednim R i tylnym R, niezależnie od temperatury napływającego powietrza jest miarą masowego strumienia

powietrza napływającego do silnika i na tej podstawie generowany jest napięciowy sygnał wyjściowy U w. W przypadku przepływu zwrotnego (jeżeli powietrze płynie w stronę filtru powietrza) wtedy intensywniej ochładzany jest obszar rezystora R, a mniej rezystora R. Układ elektroniczny rozróżnia tę informację, jako przepływ ujemny w kierunku do filtru powietrza. W związku z tym, pomiar wartości strumienia powietrza może odbywać się w obu kierunkach przepływu powietrza. Przetwornik elektroniczny przepływomierza HFM5 zamienia różnice rezystancji pomiędzy rezystorami pomiarowymi na analogowy sygnał napięcia w zakresie wartości 5 V (rys. 5b).. WARUNKI PRACY I ICH WPŁYW NA NIESPRAWNOŚCI PRZEPŁYWOMIERZY POWIETRZA Filtracja powietrza wlotowego silników współczesnych pojazdów mechanicznych odbywa się na przegrodzie papierowej o skuteczności przekraczającej φ = 99,5% i dokładności 5 μm. Tylko w przypadku niesprawności filtra powietrza do silnika mogą się dostawać ziarna pyłu o większych rozmiarach. Ziarna pyłu niezatrzymane przez filtr powietrza przemieszczają się wraz ze strumieniem powietrza wlotowego do cylindrów silnika z średnią prędkością υ z = 5 5 m/s. Na swej drodze napotykają element pomiarowy (drut lub płytkę) przepływomierza powietrza. Część ziaren uderza, a część osadza się na elemencie pomiarowym tworząc pewnego rodzaju osłonę termiczną (rys. 6). Na zanieczyszczenia tego typu są narażone przede wszystkim przepływomierze drutowe. Niezatrzymane przez filtr powietrza ziarna pyłu osiadają na powierzchni drutu, który zatrzymuje ziarna pyłu niczym włókno filtracyjne w porowatej przegrodzie filtracyjnej. dz de Rys. 6. Wpływ pyłu mineralnego na elementy pomiarowe przepływomierzy; a) schemat przepływu i uderzeń ziaren pyłu w drut grzejny przepływomierza powietrza HLM, a) uszkodzenia mechaniczne elementu pomiarowego przepływomierza warstwowego spowodowane uderzeniami ziaren pyłu mineralnego: ziarna pyłu o średnicy d z < 5 µm, element grzejny, d e = 7 µm średnica drutu grzejnego [4] Głównymi składnikami pyłu zasysanego wraz z powietrzem są: krzemionka SiO i korund Al O, których maksymalna zawartość w pyle dochodzi do 95%. Ziarna tych minerałów charakteryzują się nieregularnymi kształtami, ostrymi krawędziami i bardzo dużą twardością. Znajdujące się w strumieniu przepływającego powietrza ziarna pyłu uderzają w drut pomiarowy kalecząc i rysując jego powierzchnię (rys. 6), a tym samym osłabiając cały drut. Na te niekorzystne warunki najbardziej narażony jest przepływomierz z pomiarowym elementem drutowym. Przepływomierz powietrza podczas swojej eksploatacji narażony jest na drgania pochodzące od pracującego silnika, jak również od podłoża. Przy dużej częstotliwości drgań osłabiony drut pęka. Ziarno pyłu o średnicy d z = 5 µm poruszające się z prędkością υ z = 5 m/s uderza w element pomiarowy z energią kinetyczną E k =,56 - J. Ziarno pyłu o średnicy d z = 8 µm (w przypadku niesprawnego filtru) poruszające się z tą samą prędkością ma energię kinetyczną ponad 4 razy większą.

Niesprawność filtru lub nieszczelność układu zasilania powietrzem powoduje przyspieszone zużycie drutu grzejnego przepływomierza, co prowadzi do jego awarii nawet po kilkunastu tysiącach kilometrów. Z upływem czasu część ziaren pyłu jest zatrzymywana na drucie tworząc warstwę, której grubość zwiększa się wraz z liczbą napływających ziaren. Na elemencie pomiarowym mogą osadzać się także wilgoć zawarta w powietrzu atmosferycznym. Powstała warstwa, której podstawowym składnikiem jest krzemionka SiO, jest dobrym izolatorem, który charakteryzuje się współczynnikiem przewodności cieplnej λ pc =,4 W/m K, a więc około 5 razy mniejszym niż współczynnik przewodności cieplnej materiału (platyna λ pc = 7 W/m K), z którego wykonany jest drut grzejny. Przepływające powietrze znacznie mniej intensywniej chłodzi drut grzejny obłożony pyłem, a więc jego temperatura jest wyższa. Tym samym wartość prądu potrzebna do ogrzania drutu jest zaniżona. Informacja o wartości strumienia powietrza przesyłana do komputera pokładowego jest inna, niż w przypadku, gdy drut grzejny byłby całkowicie czysty. Bardziej odporne na zanieczyszczenia są przepływomierze warstwowe, gdyż tylko część strumienia powietrza napływa na element pomiarowy. W strumieniu powietrza wlotowego do silnika znajdują się także zanieczyszczenia w postaci: cząstek oleju, które doprowadzane są do układu zasilania powietrzem przez układ przewietrzania skrzyni korbowej np.: w wyniku uszkodzenia separatora oleju, nagaru dostającego się do przepływomierza w skutek uszkodzenia układu recyrkulacji spalin. Osadzanie się tych zanieczyszczeń na elemencie pomiarowym przepływomierza (rys. 7, rys. 8.) jest na ogół spowodowane przepływem zwrotnym strumienia powietrza w kierunku od silnika do filtra powietrza. Przepływy zwrotne spowodowane są najczęściej przez pulsacje strumienia powietrza wlotowego w układzie zasilania powietrzem tłokowego silnika spalinowego. Pulsacje wywołane są cyklicznym zasysaniem powietrza do poszczególnych cylindrów silnika w takt okresów otwierania zaworów dolotowych. Przepływy zwrotne mogą być także skutkiem niedomkniętych zaworów dolotowych. Nieszczelnościami skojarzenia T-P-C, w wyniku ciśnienia wytworzonego w cylindrach silnika podczas suwu sprężania, przedostaje się ładunek do kolektora. Przypadki cofania się płomienia zdarzają się w układach zasilania powietrzem tłokowych silników spalinowych, w których stosowane jest zasilanie gazem. Obecność nagaru w powietrzu wlotowym do silnika może wynikać z niesprawności układu recyrkulacji spalin lub turbosprężarki. Ze zużytego łożyska wirnika turbosprężarki olej silnikowy przedostaje się, (jeżeli wystąpi przepływ zwrotny) na łopatki turbiny i sprężarki, następnie w postaci nagaru na elementy pomiarowe przepływomierza. Przedłużający się proces spalania, trwający do chwili współotwarcia zaworów dolotowych i wylotowych, może być przyczyną obecności nagaru w strumieniu powietrza wlotowego. Obecność oleju silnikowego w strumieniu powietrza jest konsekwencją działania układu przewietrzania skrzyni korbowej. Spaliny mimo przepływu przez system filtracji zawierają zawsze nieznaczne ilości oleju. W przypadku uszkodzenia separatora oleju układu przewietrzania, ilość napływających spalin, a tym samym oleju jest szczególnie duża. Na powierzchni warstwy czujnika oprócz oleju może także się osadzać, szczególnie zimą, sól znajdująca się w powietrzu wlotowym, a pochodząca z podłoża (rys. 7). Tego typu zanieczyszczenia powodują izolowanie elementu pomiarowego, który w niepełnym stopniu jest ochładzany przez strumień przepływającego powietrza, co powoduje: zmniejszenie wartości prądu dostarczanego do utrzymania stałej temperatury elementu grzejnego, zaniżania sygnału napięciowego U w przepływomierza powietrza, przez co sterownik dozuje mniejszą masę paliwa do wytworzenia mieszanki paliwowo- powietrznej, odczyt nieprawidłowych wartości bieżących parametrów pracy silnika, obniżenie wartości momentu i mocy silnika, czarne zabarwienie spalin, przejście na pracę silnika według procedury awaryjnej.

Napięcie sygnału przepływomierza Napięcie sygnału przepływomierza Rys. 7. Zanieczyszczony element pomiarowy czujnika przepływomierza warstwowego: a) nagarem, b) solą [4] Rys. 8. Zanieczyszczony olejem element pomiarowy czujnika przepływomierza warstwowego [7]. OCENA NIESPRAWNOŚCI PRZEPŁYWOMIERZY POWIETRZA Ocenę stanu technicznego przepływomierza powietrza wlotowego silników spalinowych pojazdów mechanicznych można przeprowadzać metodami: organoleptyczną, z wykorzystaniem samodiagnostyki pokładowej pojazdu, przyrządową, stanowiskową. Cechą szczególną charakterystyki przepływomierza warstwowego HFM5 jest tak zwana wartość napięcia przepływu zerowego U w, która określa napięcie sygnału wyjściowego U w przy zerowym natężeniu przepływu powietrza (rys. 9a). U w Uw [v], V,98 V Uw [v] U w4 U w -5 5 Q m Q m Q m4 Strumień masowy Q m [kg/h] n p n p n p n p 4 Strumień masowy Q m [kg/h] Rys. 9. Napięcie sygnału wyjściowego U w przepływomierza przy zerowym natężeniu przepływu powietrza. W tego typu przepływomierzu jest to wartość wynosząca V. Tę wartość wykorzystuje się, jako parametr diagnostyczny. Jeżeli przy braku przepływu powietrza przez przepływomierz zmierzona wartość napięcia odbiega od referencyjnej U w =,98, V, z reguły oznacza to zabrudzenie

Napięcie wyjściowe U m [v] elementu pomiarowego. Niewłaściwa wartość napięcia U w przy braku przepływu zniekształca całą charakterystykę przepływomierza. W warunkach serwisu samochodowego można ocenić prawidłowość charakterystyki przepływomierza U w = f(q m ) zabudowanego w układzie dolotowym metodą pomiaru kilku wartości napięcia wyjściowego przepływomierza U w, przy określonej prędkości obrotowej silnika n. Pomiary takie są możliwe tylko wówczas, gdy dla danego modelu silnika mamy informacje o wymaganym zakresie napięcia wyjściowego przy określonej prędkości obrotowej silnika (tabela ). Pomiar wartości napięcia wyjściowego przepływomierza zabudowanego w układzie dolotowym, przy określonej prędkości obrotowej silnika opiera się na zasadzie, którą ilustruje rys. 9b. Tab.. Wartości kontrolne napięcia Uw przepływomierza masowego firmy Pierburg, silnika VW,9 TDI [5] Prędkość obrotowa silnika podczas pomiaru Wymagany zakres napięcia wyjściowego przepływomierza n [obr./min] U w [V] 9 ( bieg jałowy),4,6 (silnik nieobciążony),4,6 (silnik nieobciążony),, 4 (silnik nieobciążony),7,9 Swobodne przyspieszanie silnika od prędkości obrotowej biegu jałowego do maksymalnej od U wmin =,4,7 od U wmax = 4,5 4,8 Rzeczywistą charakterystykę U w = f(q m ) przepływomierza powietrza wymontowanego z pojazdu można wyznaczyć z wykorzystaniem stanowiska pomiarowego z możliwością regulacji strumienia powietrza. Do pomiaru strumienia powietrza Q m należy użyć wzorcowego przepływomierza. Na rysunkach przedstawiono wyniki badań wpływu niesprawności przepływomierza powietrza HFM5 firmy Bosch, stosowanego w samochodach Nissan, na charakterystykę U w = f(q m ). 4.5 4.5 Przepływ w kierunku filtru powietrza.5.5.5 Stan elementu pomiarowego sprawny zanieczyszczony pyłem Przepływ w kierunku cylindrów silnika - - 4 5 6 Strumień powietrza Q m kg/h] Rys.. Charakterystyki U w = f(qm) przepływomierza warstwowego HFM5 firmy Bosch stosowanego w samochodach Nissan, sprawnego i z elementem pomiarowym zanieczyszczonym pyłem W przypadku, gdy element pomiarowy badanego przepływomierza zanieczyszczony był pyłem drogowym (pył testowy AC Fine), nastąpił istotny, około % (rys. ) spadek napięcia wyjściowego U w w całym zakresie strumienia powietrza Q m. Zanieczyszczenie elementu pomiarowego przepływomierza pyłem powoduje jego izolację. Krzemionka SiO będąca głównym składnikiem pyłu jest dobrym izolatorem zarówno elektrycznym jak i cieplnym. Warstwa pyłu pokrywająca rezystory pomiarowe jest przyczyną zmniejszonej intensywności ich chłodzenia, co skutkuje mniejszą wartością prądu potrzebną do utrzymania stałej różnicy temperatur pomiędzy nimi. W efekcie następuje spadek napięcia wyjściowego U w w stosunku do sygnału wyjściowego przepływomierza sprawnego. Zanieczyszczenie elementu pomiarowego przepływomierza warstwą oleju nie powoduje istotnych zmian w przebiegu charakterystyk przepływomierza warstwowego HFM5 (rys. ). Istotne zmiany w przebiegu charakterystyk przepływomierza warstwowego HFM5 (rys. ) spowodowało 4

Napięcie wyjściowe U m [v] Napięcie wyjściowe U m [v] zanieczyszczenie elementu pomiarowego przepływomierza cząstkami oleju i pyłu drogowego. W tym przypadku ziarna pyłu mocno przytwierdzone są do podłoża za pomocą warstwy oleju. Przy strumieniu powietrza Q m = 5 m /h nastąpił spadek napięcia wyjściowego z U w =,8 V do U w =, V, czyli o 5%. 4.5 4.5.5.5.5 Przepływ w kierunku filtru powietrza Stan elementu pomiarowego sprawny zanieczyszczony olejem Przepływ w kierunku cylindrów silnika - - 4 5 6 Strumień powietrza Q m [kg/h] Rys.. Charakterystyki U w = f(q m ) przepływomierza warstwowego HFM5 firmy Bosch stosowanego w samochodach Nissan, sprawnego i z elementem pomiarowym zanieczyszczonym olejem 4.5 4.5.5 Stan elementu pomiarowego sprawny zanieczyszczony pyłem i olejem Przepływ w kierunku filtru powietrza.5 Przepływ w kierunku cylindrów silnika Rys.. Charakterystyki U w = f(q m ) przepływomierza warstwowego HFM5 firmy Bosch stosowanego w samochodach Nissan, sprawnego i z elementem pomiarowym zanieczyszczonym olejem i pyłem WNIOSKI.5 - - 4 5 6 Strumień powietrza Q m kg/h]. Współczesne tłokowe silniki spalinowe, dzięki zastosowaniu przepływomierza powietrza sondy lambda i reaktora katalitycznego osiągają skład mieszanki zbliżony do λ =. Toksyczne składniki spalin: CH, CO, NO x nie przekraczają wtedy dopuszczalnych poziomów określonych normami EURO.. Ziarna pyłu mineralnego (poniżej 5 μm), które osadzają się na powierzchni elementu pomiarowego tworzą warstwę izolującą i utrudniającą odprowadzenie ciepła z elementu pomiarowego, co powoduje zmiany sygnału wyjściowego oraz powodują rysowanie powierzchni elementu pomiarowego, a w konsekwencji jego mechaniczne zniszczenie.. Na elementach pomiarowych przepływomierzy zbierają się także cząstki oleju i nagaru pochodzące z przedmuchów z skrzyni korbowej oraz wilgoć i sól dostająca się wraz z powietrzem wlotowym. Osadzanie się tych zanieczyszczeń na powierzchni elementu pomiarowego zmienia warunki odprowadzenia ciepła i chłodzenia elementu, co powoduje zmianę wartości generowanego napięcia wyjściowego, a konsekwencji może być przyczyną niewłaściwego składu mieszanki paliwowopowietrznej i spadku mocy silnika oraz wzrostu toksyczności spalin. 5

4. Wyniki badań przepływomierza z wykorzystaniem specjalnego stanowiska pomiarowego wyposażonego w wzorcowy przepływomierz powietrza potwierdzają, że zanieczyszczenia elementu pomiarowego przepływomierza pyłem oraz cząstkami oleju, czyli takimi zanieczyszczeniami, na które w rzeczywistości narażony jest przepływomierz, powodują istotne zmiany charakterystyki U w = f(q m ), co do przebiegu i wartości. Streszczenie Przedstawiono zadania i warunki pracy przepływomierzy powietrza wlotowego silników spalinowych pojazdów mechanicznych. Przeanalizowano rozwiązania konstrukcyjne przepływomierzy powietrza stosowanych w współczesnych samochodach osobowych. Omówiono zasadę działania przepływomierza powietrza typu HFM masowego z termoanemometrem warstwowym (z gorącą warstwą). Przeanalizowano podstawowe przyczyny występowania niesprawności przepływomierzy powietrza. Wykonano charakterystyki U w = f(q m ) przepływomierza powietrza z elementem pomiarowym zanieczyszczonym olejem, pyłem oraz olejem i pyłem. Otrzymane wyniki porównano z charakterystykami przepływomierza sprawnego. Słowa kluczowe: silniki spalinowe, przepływomierze powietrza, warunki pracy, niesprawności, charakterystyki eksploatacyjne przepływomierzy powietrza. Operating properties of the intake air flow meters of internal combustion engines of motor vehicles Abstract Tasks and working conditions of flow meter of inlet air of combustion engines of motor vehicles were presented. Construction solutions of air flow meters used in modern cars were analyzed. Principle of operation of air flow meter HFM type with layered thermoanemometer (hot layer) was discussed. Primary causes of failures of air flow meters were analyzed. Characteristics U w = f (Q m ) of air flow meter with measuring element contaminated with oil, dust and oil and dust were made. The results were compared with characteristics of efficient air flow meter. Keywords: combustion engines, air flow meters, working conditions, failures, characteristics of air flow meters. BIBLIOGRAFIA. Bernhardt M., Dobrzyński S., Loth E., Silniki samochodowe, WKŁ, Warszawa 988.. Informator techniczny Bosch. Czujniki w pojazdach samochodowych, WKŁ, Warszawa.. Kiełczewski M., Przepływomierze HFM7, Bosch Autospec nr /47,. 4. Myszkowski S., Przepływomierze powietrza rodzaje uszkodzenia, Serwis motoryzacyjny nr /8. 5. Myszkowski S., Przepływomierze powietrza diagnostyka cz., Serwis motoryzacyjny nr /8. 6. Przepływomierz powietrza z gorącą warstwą HFM 6, Zeszyt do samodzielnego kształcenia nr 58, VOLKSWAGEN AG, Wolfsburg 7. 7. Przepływomierze masowe powietrza. Rozwiązywanie problemów, usterki i testy, Pierburg. www.ms-motor-serwis.com. 8. Rozporządzeniem Ministra Infrastruktury z dnia kwietnia 4. Dz.U. 4 nr poz. 85. 6