質量流量センサー

質量（空気）流量センサー（MAF）は、燃料噴射式内燃エンジンに入る空気の質量流量を測定するために使用されるセンサーです。

空気質量情報は、エンジン制御ユニット(ECU) が適切な燃料質量をバランスさせてエンジンに供給するために必要です。空気の密度は温度と圧力によって変化します。自動車用途では、空気密度は周囲温度、高度、および強制吸気の使用によって変化するため、各シリンダの吸入空気量を決定するには体積流量センサよりも質量流量センサの方が適しています。

自動車のエンジンで使用されている一般的な空気流量センサーには、ベーン メーターとホット ワイヤの 2 種類があります。どちらの設計でも、空気の質量を直接測定する技術は採用されていません。ただし、追加のセンサーと入力により、エンジンの ECU は吸入空気の質量流量を判断できます。

どちらのアプローチも、電子燃料噴射(EFI) エンジンでのみほぼ独占的に使用されています。どちらのセンサー設計も、空気質量流量に比例する 0.0～5.0 ボルトまたはパルス幅変調(PWM) 信号を出力します。また、どちらのセンサーも、ほとんどのポストオンボード診断(OBDII)車両向けにハウジングに吸気温度 (IAT) センサーが組み込まれています。1996 年以前の車両には、IAT のない MAF が搭載されている場合があります。例として、1994 年式のInfiniti Q45が挙げられます。

MAFセンサーを酸素センサーと組み合わせて使用​​すると、エンジンの空燃比を非常に正確に制御できます。MAFセンサーは、オープンループコントローラーの予測空気流量情報（測定された空気流量）をECUに提供し、酸素センサーは、予測された空気質量にわずかな修正を加えるためにクローズドループフィードバックを提供します。マニホールド絶対圧センサー（ MAPセンサー）も参照してください。2012年頃から、一部のMAFセンサーには湿度センサーが含まれています。^[1]

VAF (ベーン エア フロー) センサーは、可変抵抗器 (ポテンショメータ) に取り付けられたバネ式のエア ベーン (フラップ/ドア) を使用して、エンジンに流入する空気の運動量を測定します。ベーンは空気の運動量に比例して動きます。ポテンショメータに電圧​​が加えられ、ベーンの回転角度に比例した電圧がポテンショメータの出力端子に現れます。また、K-ジェトロニックシステムのように、ベーンの動きによって燃料噴射量を直接調整することもできます。

多くの VAF センサーには、VAF センサーの側面にある小さな空気通路を開閉する空燃調整ネジが付いています。このネジは、計量された量の空気をエアフラップに流すことで空燃混合気を制御し、混合気を薄くしたり濃くしたりします。ネジを時計回りに回すと混合気は濃くなり、反時計回りに回すと混合気は薄くなります。

ベーンは、空気の流れによる抗力によって動きます。容積や質量を直接測定するものではありません。抗力は、空気の密度（空気の密度は空気の温度によって変わります）、空気の速度、ベーンの形状によって決まります。抗力方程式を参照してください。一部の VAF センサーには、吸気温度センサー（IAT センサー）が追加で搭載されており、エンジン ECU が空気の密度を計算し、それに応じて燃料供給量を計算できます。

ベーンメーター方式にはいくつかの欠点があります。

• 空気の流れが制限され、エンジン出力が制限される
• 可動式の電気接点や機械接点が摩耗する可能性がある
• 限られたエンジンルーム内で適切な取り付け場所を見つけるのは困難である
• 羽根は重力に対して向きを合わせる必要があります。
• 一部のメーカーでは、燃料ポンプ制御も VAF 内部配線の一部となっています。

熱線式質量空気流量センサーは、エンジンの吸気システムに流入する空気の質量を測定します。熱線式質量空気流量センサーの動作原理は、熱線式風速計（空気の速度を測定する）の動作原理に似ています。これは、トースターのワイヤーのようにエンジンの空気流に吊り下げられたワイヤーに一定の電圧をかけて加熱することで実現されます。ワイヤーの温度が上昇すると、ワイヤーの電気抵抗が増加し、オームの法則に従って回路を流れる電流が変化します。空気がワイヤーを通過すると、ワイヤーは冷却されて抵抗が減少し、供給電圧が一定であるため、回路を流れる電流が増加します。電流が流れると、抵抗が再び平衡に達するまでワイヤーの温度が上昇します。電流の増減は、ワイヤーを通過する空気の質量に比例します。統合された電子回路は、比例測定値を比例電圧に変換し、ECU に送信します。^[2]

圧力上昇または温度低下により空気密度が増加しても、空気量が一定である場合、密度の高い空気はワイヤからより多くの熱を奪い、質量空気流量が増加することを示します。ベーン メーターのパドル センシング エレメントとは異なり、ホット ワイヤは空気密度に直接反応します。このセンサーの機能は、基本的に空気量ではなく空気質量に反応するガソリン燃焼プロセスをサポートするのに適しています。(ストイキオメトリーを参照してください。)

このセンサーには混合ネジが使用される場合もありますが、このネジは完全に電子式で、エアバイパスネジの代わりに可変抵抗器 (ポテンショメータ) を使用します。望ましい結果を得るには、ネジをもっと回す必要があります。これらのセンサーの一部には、ホット ワイヤ バーンオフ クリーニング回路が採用されています。バーンオフ リレーは、車両の電源を 1 秒ほど切った後、プラチナ ホット ワイヤに高電流を流し、プラチナ ホット ワイヤ エレメントに付着した汚染物質を燃焼または蒸発させます。

ホットフィルムMAFセンサーはホットワイヤMAFセンサーと似た働きをしますが、通常は周波数信号を出力します。このセンサーは、ホットワイヤの代わりにホットフィルムグリッドを使用します。^[3] 1980年代後半から1990年代前半の燃料噴射車両によく見られます。出力周波数は、エンジンに入る空気の質量に正比例します。したがって、質量流量が増加すると、周波数も増加します。これらのセンサーは、内部の電気的故障により断続的な問題を引き起こす傾向があります。これらのセンサーの出力周波数を確認するには、オシロスコープの使用を強くお勧めします。センサーが故障し始めると、周波数の歪みもよく見られます。現場の技術者の多くは、非常に確実な結果をもたらすタップテストを使用しています。すべてのHFMシステムが周波数を出力するわけではありません。場合によっては、このセンサーは定期的に変化する電圧信号を出力することで機能します。

マイクロブリッジは同じ原理を採用していますが、シリコンチップ上に配置されています。^[4]

GM LSエンジンシリーズ（および他のエンジン）は、ホットワイヤMAFシステムと同様に機能するコールドワイヤMAFシステム（ACデルコ製）を使用していますが、追加の「コールド」抵抗器を使用して周囲の空気を測定し、空気の流れを測定するために使用される「ホット」抵抗器要素の基準を提供します。^[5]

MAF のメッシュは、空気の流れをスムーズにして、センサーが安定した読み取り値を得る可能性を最大限に高めるために使用されます。空気の流れ自体を測定するために使用されるわけではありません。所有者が油を塗ったガーゼのエアフィルターを使用している場合、余分なオイルが MAF センサーを覆い、読み取り値を歪める可能性があります。実際、ゼネラルモーターズは、汚染されたセンサーが原因で発生する可能性のある、アイドリングの乱れからトランスミッションの損傷に至るまでの問題を示す技術サービス速報を発行しています。繊細な MAF センサーコンポーネントをクリーニングするには、化学的に刺激が強すぎる可能性があるキャブレタークリーナーやブレーキクリーナーではなく、専用の MAF センサークリーナーまたは電子機器クリーナーを使用する必要があります。代わりに、MAF センサークリーナーと電子機器クリーナーの液相は、通常、アルコール含有量がほとんどまたはまったくないヘキサンまたはヘプタンをベースとしており、エアロゾル推進剤として二酸化炭素またはHFC-152a を使用しています。センサーに物理的な損傷を与えないように注意しながら離れた場所からセンサーに優しくスプレーし、完全に乾燥させてから再度取り付けてください。メーカーは、正しく機能するかどうかを確認するためのシンプルだが極めて信頼性の高いテストは、車の走行中にドライバーの裏でユニットを軽くたたくことであり、これによって出力周波数に変化が生じた場合はユニットを廃棄し、OEM 交換品を取り付ける必要があると主張しています。

カルマン渦センサーは、垂直の弓形で気流を乱すことで機能します。流入する流れが層流である場合、後流はカルマン渦の振動パターンで構成されます。結果として生じるパターンの周波数は、空気の速度に比例します。

これらの渦は、センサーに対する圧力パルスとして直接読み取ることも、ミラーに衝突させて反射光線を遮断または透過させ、渦に反応してパルスを生成することもできます。最初のタイプはプルスルーエア（ターボチャージャーまたはスーパーチャージャーの前）でのみ使用できますが、2番目のタイプは理論的にはプッシュスルーまたはプルスルーエア（前述のスーパーチャージャーまたはターボチャージャーのような強制誘導アプリケーションの前または後）で使用できます。このタイプのMAFは、抵抗係数によって変更された定電圧を出力する代わりに、ECUによって解釈される必要がある周波数を出力します。このタイプのMAFは、すべてのDSM （三菱エクリプス、イーグルタロン、プリマスレーザー）、多くの三菱、一部のトヨタとレクサス、一部のBMWなどに搭載されています。^[6]

新しい技術では、空気流中に配置された非常に薄い電子膜を使用します。この膜には、上流側と下流側にそれぞれ 1 つの薄膜温度センサーが印刷されています。膜の中央にはヒーターが組み込まれており、熱線方式と同様に一定の温度を維持します。空気の流れがない場合、膜全体の温度プロファイルは均一です。空気が膜を横切って流れると、上流側と下流側では冷却の仕方が異なります。上流と下流の温度差が質量空気流量を示します。熱膜センサーは、脈動状況で時々発生する両方向の流れを測定することもできます。技術の進歩により、この種のセンサーは、微小電気機械システム技術を使用して、微小スケールのマイクロセンサーとして製造できるようになりました。このようなマイクロセンサーは、マクロ的な方法と比較して、大幅に高い速度と感度を実現します。MEMSセンサーの世代も参照してください。

層流要素は、ガスの体積流量を直接測定します。層流の場合、パイプの圧力差は流量に比例するという原理で動作します。 ガスのレイノルズ数が臨界値以下の場合、ガス内に層流状態が存在します。結果では、流体の粘性を補正する必要があります。層流要素は通常、必要な流量定格を達成するために多数の平行パイプから構成されます。

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