Luchtmassameter

Onderwerpen:

  • Inleiding
  • Analoge luchtmassameter
  • Digitale luchtmassameter
  • Meetwaarden uitlezen m.b.v. diagnoseapparatuur
  • Gevolgen van een defecte luchtmassameter
  • Werking van de luchtmassameter

Inleiding:
De luchtmassameter zit tussen het luchtfilterhuis en het inlaatspruitstuk gemonteerd.
Al de aangezogen lucht gaat door de luchtmassameter heen. Bij een atmosferische motor wordt de lucht aangezogen door de onderdruk in de cilinders en bij een motor die uitgevoerd is met een turbo wordt de lucht door het compressorwiel aangezogen. De luchtmassameter meet de hoeveelheid lucht dat de motor in stroomt. Aan de hand van deze gegevens kan met behulp van de kenveld waarden in het motorregelapparaat o.a. de hoeveelheid in te spuiten brandstof worden bepaald.

De luchtmassameter is in twee uitvoeringen beschikbaar:

  • Analoog uitgangssignaal: de hoogte van de spanning is afhankelijk van de gemeten waarde. Dit wordt ook wel een AM-signaal genoemd (Amplitude Modulatie);
  • Digitaal uitgangssignaal: de elektronica in de sensor creëert een digitaal signaal in de vorm van een frequentie. Dit FM-signaal (Frequentie Modulatie) varieert naar mate de luchthoeveelheid toeneemt.

In de volgende paragrafen wordt het verschil tussen de analoge en digitale luchtmassameters uitgelegd met voorbeeldmetingen. In de laatste paragraaf wordt de werking van de luchtmassameter op componentniveau uitgelegd.

Analoge luchtmassameter:
De voedingsspanning op deze sensor bedraagt 12 volt. Het analoge spanningssignaal van deze sensor bedraagt over het algemeen (afhankelijk van merk en type) bij:

  1. Contact aan, geen luchtstroom: 0,2 – 1,5 volt.
  2. Stationair draaiende motor: 1,5 – 3,0 volt.
  3. Accelereren met volledig geopende gasklep: max. 4,5 volt.

De grafiek toont het verloop van de spanning ten opzichte van de gemeten luchtmassa in gram per seconde. We kunnen de spanning met een multimeter meten.

Digitale luchtmassameter:
De frequentie van het signaal geeft aan hoeveel lucht de sensor is gepasseerd. De spanning van het signaal bedraagt altijd tussen de 0 en 5 volt. De frequentie geeft aan hoe vaak het signaal zich binnen een periode van één seconde herhaalt. Wanneer we met een oscilloscoop in een seconde twee signalen meten, spreken we over 2 Hz. In de praktijk zien we dat de frequentie een stuk hoger ligt. Over het algemeen passen fabrikanten de volgende frequenties toe:

  • stationair: 2 – 2,5 kHz (2000 – 2500 Hz)
  • hoog toerental: tot 6 – 6,5 kHz

De frequentie stijgt evenredig met de toenemende luchtstroom. Ziet men afwijkende pieken in het signaal, of wordt er bij een hoog toerental een te lage frequentie gemeten, is er mogelijk sprake van een vervuilde of defecte luchtmassameter. De onderstaande afbeeldingen tonen twee metingen van de digitale luchtmassameter.

Spanning t.o.v. de tijd
Spanning (boven) en frequentie (onder) t.o.v. de tijd

De meting van de spanning toont het spanningsverloop ten opzichte van de tijd. In dit beeld is te zien dat de spanning constant verandert tussen de 0,5 en 4,5 volt. Bij een toenemende luchtstroom (bij het verhogen van het toerental) wordt de tijd tussen de stijgende en dalende lijnen kleiner. De pulsen worden dunner en komen dichter bij elkaar te liggen. Met dit scoopbeeld kan geen goede diagnose worden gesteld.

De meting waarbij met kanaal A de spanning, en kanaal B de frequentie wordt gemeten, geeft een beeld over de werking van de luchtmassameter. Er wordt over een groter tijdbestek gemeten, waardoor het lijkt of de blauwe pulsen van kanaal A tegen elkaar aanliggen. Dit is echter niet zo; vanwege het uitzoomen is er nauwelijks onderscheid te maken tussen de op- en neergaande spanningen.
De rode lijn (kanaal B) geeft de frequentie van het signaal aan. Hoe dichter de spanningspulsen bij elkaar liggen, des te meer de rode lijn stijgt. Wanneer men met het voertuig met volledig geopende gasklep accelereert tot een hoog toerental, blijft de frequentie stijgen totdat men het gas loslaat. De hoogte van de rode lijn geeft de maximale frequentie van het signaal aan. Deze gegevens kan men vergelijken met de fabrieksgegevens of een berekende waarde. In de volgende paragraaf gaan we daar dieper op in.

In het onderstaande schema van een Volkswagen Golf 6 2.0 tdi geeft de componentcode G70 de digitale luchtmassameter aan.

  • Pin 1 van de luchtmassameter is verbonden met pin 18 van de motor-ECU. Dit is de signaaldraad waarover de luchtmassameter de gemeten waarde naar de ECU stuurt;
  • Pin 2: signaaldraad van de luchttemperatuursensor. Deze sensor is geïntegreerd in de luchtmassameterbehuizing;
  • Pin 4: massa;
  • Pin 5: is in het schema via verwijzing 23 met een zekering verbonden. De luchtmassameter wordt gevoed met een spanning van 12 volt.

Op pin 1 van de luchtmassameter kunnen we het signaal meten dat naar de ECU wordt gestuurd. Daarnaast kunnen we, indien er een breakout-box voorhanden is, controleren of dit signaal ook correct op pin 18 van de ECU binnenkomt. Indien deze signalen van elkaar verschillen, kunnen we het spanningsverschil meten over deze draad (pin 1 van de LMM ten opzichte van pin 18 van de ECU).

Een te lage voedingsspanning van de sensor kan invloed hebben op het sensorsignaal. Daarom dienen we ook de plus- en massa-aansluitingen te controleren. We sluiten de voltmeter of oscilloscoop aan op pin 4 en 5 en controleren of we een spanning meten die ongeveer gelijk is aan de accuspanning. Bij een te lage spanning hebben we wellicht te maken met een overgangsweerstand in de plusdraad of massadraad die we met behulp van de V4-meting kunnen opsporen.

Meetwaarden uitlezen m.b.v. diagnoseapparatuur:
Het motormanagementsysteem berekend de hoeveelheid lucht aan de hand van de sensorwaarde. Met behulp van uitleesapparatuur is d.m.v. de live data (ook wel parameters of meetwaardeblokken) de actuele hoeveelheid aangezogen lucht af te lezen. Het maakt niet uit of het signaal analoog of digitaal is; bij het uitlezen ziet men de door de ECU waarde van het binnengekomen en verwerkte signaal.

Om te controleren of de gemeten waarde correct is, kan deze worden vergeleken met de fabrieksgegevens. Echter, deze zijn in de meeste gevallen niet gemakkelijk te vinden. Daarom bestaan er calculators om de luchthoeveelheid te berekenen. Een bekend programma is de LMM-tool die u hier kunt downloaden.

De door u berekende waarde en de uitgelezen waarde dienen redelijk overeen te komen. Uiteraard is een klein verschil toegestaan. We hebben ten alle tijden te maken met de motoreigenschappen die bij iedere motor verschillen; denk aan de kleptiming, vullingsgraadverhogende technieken als variabele kleptiming, een variabel inlaatspruitstuk, etc. Echter, verschillen deze waarden tientallen grammen, is een defect aan de luchtmassameter niet uitgesloten.

De onderstaande tabellen tonen de berekende waarden van een atmosferische motor met een cilinderinhoud van 2000 cc (2,0 liter). We beginnen met een stationair toerental; deze bedraagt ongeveer 800 omw/min. Er heerst een vacuüm in het inlaatspruitstuk doordat de gasklep bijna geheel is gesloten. De druk bedraagt 0,3 bar. In de volgende twee kolommen zijn de waarden te zien bij een verhoogd motortoerental en een volledig geopende gasklep (Wide Open Throttle). Hierbij heerst in het inlaatspruitstuk de absolute buitenluchtdruk, dus 1000 mBar. De inlaatluchttemperatuur stijgt. Het motortoerental blijft stijgen tot 6000 omw/min.

Situatie:

  • Toerental: 800 omw/min;
  • Inlaatspruitstukdruk: 300 mBar;
  • Inlaatluchttemperatuur: 20°.

Berekende waarden:

  • 3,86 gram/sec;
  • 13,88 kg/uur;
  • 0,15 gram per slag.

Situatie:

  • Toerental: 3000 omw/min (WOT);
  • Inlaatspruitstukdruk: 1000 mBar;
  • Inlaatluchttemperatuur: 22°.

Berekende waarden:

  • 47,86 gram/sec;
  • 172,31 kg/uur;
  • 0,48 gram per slag.

Situatie:

  • Toerental: 6000 omw/min (WOT);
  • Inlaatspruitstukdruk: 1000 mBar;
  • Inlaatluchttemperatuur: 25°.

Berekende waarden:

  • 94,76 gram/sec;
  • 341,14 kg/uur;
  • 0,48 gram per slag.

Gevolgen van een defecte luchtmassameter:

  • Minder vermogen (hoeft niet altijd merkbaar te zijn)
  • Lagere topsnelheid
  • Hoger brandstofverbruik
  • Meer roetuitstoot (dieselmotor)
  • Motor komt slecht op toeren bij bijvoorbeeld vollast

Werking van de luchtmassameter:
De behuizing van een luchtmassameter bevat de stekkeraansluiting voor de kabelboom naar de ECU, de elektronica op een prinplaat en het meetelement.
De rubberen O-ring voorkomt dat er lucht langs de behuizing wordt aangezogen. Het meetelement van de luchtmassameter bestaat o.a. uit twee temperatuur-afhankelijke weerstanden (PTC en NTC thermistoren).

Op het moment dat de motor draait, koelen de weerstanden af door de inlaatlucht die er langs stroomt. De elektronische schakeling zorgt ervoor dat de temperatuur van het PTC-verwarmingselement constant blijft. Het spanningsverschil dat hiermee gepaart gaat, wordt door een versterkerschakeling vertaalt naar een bruikbaar uitgangssignaal om naar de ECU te sturen.

Opengewerkte luchtmassameter (Bosch)
Componenten in de luchtmassameter

In de volgende afbeelding worden de componenten in de luchtmassameter in drie deelgebieden getoond:

  • Rood: inlaatluchttemperatuursensor (NTC);
  • Groen: componenten voor de hittedraad;
  • Blauw: componenten voor het meetelement.

De luchtmassameter heeft een 5-pins stekkeraansluiting:

  1. signaal inlaatluchttemperatuursensor;
  2. voeding (12 volt) voor hittedraad;
  3. voeding (5 volt) voor meetelement;
  4. signaal (0,5 – 4,5 volt);
  5. sensormassa. Alle interne massa’s zijn met deze uitgangspin verbonden.

In de volgende afbeeldingen worden de drie deelgebieden apart getoond met daarnaast de uitleg.

Componenten in drie deelgebieden (rood, groen en blauw), zie de uitleg

Inlaatluchttemperatuursensor: zoals reeds vermeld, is deze sensor van het type NTC.
De sensorweerstand is afhankelijk van de luchttemperatuur die vanaf het luchtfilter, via de luchtmassameter, naar de turbo of het inlaatspruitstuk stroomt.

De hittefilmluchtmassameter bevat een verwarmingsweerstand die op een constante temperatuur wordt gehouden. In dit schema is de verwarmingsweerstand Rh. De verwarmingsweerstand, ook wel de hittedraad genoemd, wordt door een transistor (bovenin) in- en uitgeschakeld. 

In het midden zien we een brug van Wheatstone met onderin de weerstanden R3 en R4. Dit zijn temperatuursafhankelijke weerstanden (PTC en NTC). De weerstanden R3 en R4 zorgen voor een constante temperatuur van verwarmingsweerstand Rh:

  • Bij een toenemende luchtstroom koelen de weerstanden af en ontstaat er een andere spanningsval over alle weerstanden in de brug. Met de brug van Wheatstone kan de weerstandsverandering worden omgezet naar een signaalspanning voor de ECU. Zie de pagina “brug van Wheatstone” voor een uitgebreide uitleg over deze schakeling.
  • Door het spanningsverschil op de opamp verandert de uitgangsspanning naar de transistor;
  • De transistor wordt in geleiding gebracht en schakelt de stroomtoevoer naar de verwarmingsweerstand Rh in of uit;
  • De verwarmingsweerstand zal door de stroomtoevoer zoveel mogelijk op dezelfde temperatuur worden gehouden.
  • Aan beide zijden van verwarmingsweerstand Rh zijn de temperatuursafhankelijke weerstanden R1 en R2 geplaatst;
  • Als er geen lucht door de sensor stroomt, hebben de weerstanden R1 en R2 dezelfde waarde en is er geen uitgangssignaal;
  • Als er wel lucht door de sensor stroomt, koelt weerstand R1 af en wordt R2 verwarmd;
  • Daardoor neemt de weerstandwaarde van R1 af en stijgt die van R2;
  • Door de stijgende weerstandswaarde stijgt ook de uitgangsspanning;
  • Als de lucht over de sensor terugstroomt (backflow), dan koelt R2 af en wordt R1 verwarmd, waardoor de uitgangsspanning daalt. De gemiddelde uitgangsspanning is daardoor een juiste maat voor de hoeveelheid luchtmassa die naar de motor stroomt.

Backflow is het terugstromen van lucht(pulsaties) richting het luchtfilter als gevolg van het sluiten van de inlaatkleppen of het sluiten van de gasklep. De backflow wordt als extra luchtmassa gemeten, waardoor een grote afwijking in het signaal kan optreden. Moderne luchtmassameters hebben backflow-compensatie zoals in dit voorbeeld met de weerstanden R1 en R2 is geschetst.

error: Alert: Content is protected !!