David Quispe Cahuina

El flujo de aire hacia el motor es esencial para una combustión eficiente, y ahí es donde entra en juego el sensor de flujo de masa de aire.

El sensor de flujo de masa de aire (MAF) más común se encuentra dentro del conducto de admisión, entre el filtro de aire y el cuerpo del acelerador. También conocido como sensor de flujo de masa de aire (MAF), consta de una resistencia de calentamiento, una resistencia de medición de la temperatura del aire de admisión, un sensor de temperatura del aire de admisión y un circuito de control.

Para medir el volumen de aire que entra al motor, parte del aire de admisión del filtro de aire se desvía a la zona de medición de hilo caliente, donde se mide el volumen de aire de admisión. Esta medición se convierte en un voltaje proporcional en el circuito de control antes de ser enviada de vuelta a la ECU para calcular el volumen de aire de admisión del motor.

Al mismo tiempo, el sensor de temperatura del aire de admisión toma una medida y la envía a la ECU para indicar la temperatura del aire. La ECU puede entonces determinar la densidad del aire y corregir la cantidad de inyección de combustible.

¿Qué es un sensor MAF, cómo mide realmente, materiales, tipos, fenómenos físicos, efectos químicos, y diferencias entre motores diésel y gasolina?.

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1. ¿Qué mide REALMENTE un sensor MAF?

El MAF (Mass Air Flow) mide masa de aire que entra al motor:

$${\dot{m}}_{aire}=\rho \cdot \dot{V}$$

No volumen, masa real, porque:

• La densidad del aire cambia con temperatura, presión y humedad

• La combustión depende de masa de oxígeno, no de volumen

Esto permite a la ECU calcular:

• Cantidad exacta de combustible

• Relación aire–combustible (AFR)

• Avance de encendido

• Control de emisiones

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2. Tipos de sensores MAF (clasificación técnica)

2.1 MAF de hilo caliente (Hot Wire MAF)

El sensor de hilo caliente tiene dos hilos de platino suspendidos dentro del conducto principal del cuerpo del sensor: un hilo caliente y otro de compensación, que mide la temperatura del aire admitido.

El sensor de película caliente tiene resistor térmico, una película semiconductora depositada sobre una placa cerámica encapsulada en plástico.

El más común en gasolina

Principio físico

➡ Convección térmica forzada + Ley de Joule

Un hilo se calienta eléctricamente:

$$P=I^{2}R$$

El aire que pasa extrae calor:

$$Q=h\cdot A\cdot (T_{hilo}-T_{aire})$$

Cuanto más aire pasa:

• Más calor se disipa

• Más corriente necesita el circuito para mantener la temperatura

La corriente necesaria es proporcional a la masa de aire

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2.2 MAF de película caliente (Hot Film)

Evolución del hilo caliente (más robusto)

En lugar de un hilo:

• Película delgada sobre sustrato cerámico

• Mejor resistencia a vibraciones

• Respuesta más rápida

Mismo principio físico, pero:

• Mayor estabilidad térmica

• Menor deriva eléctrica

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2.3 MAF tipo Kármán Vortex (menos común)

Usado en algunos Toyota y Mitsubishi antiguos.

Principio

➡ Fenómenos de dinámica de fluidos

Un obstáculo genera vórtices:

$$f=\frac{St\cdot v}{\mathrm{d}}$$

La frecuencia de los vórtices es proporcional a la velocidad del aire.

 Desventaja:

• Mide volumen, no masa → necesita compensaciones adicionales

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2.4 MAF MEMS (moderno, integración total)

Utiliza:

• Microresistencias

• Sensores térmicos

• Electrónica integrada en silicio

Fabricado como un circuito microelectromecánico (MEMS).

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3. Materiales reales de un sensor MAF

3.1 Elemento sensor (hilo o película)

Material principal

✔ Platino (Pt)
Razones:

• Resistencia estable vs temperatura

• Coeficiente térmico predecible

• Resistente a oxidación

• No se degrada con hidrocarburos

 A veces aleado con:

• Rodio

• Iridio

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3.2 Sustrato

✔ Alúmina (Al₂O₃) o silicio dopado

• Alta conductividad térmica controlada

• Aislamiento eléctrico

• Estabilidad mecánica

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3.3 Cuerpo del sensor

✔ Polímeros técnicos:

• PPS (Polifenileno sulfuro)

• PBT reforzado con fibra de vidrio

Resisten:

• 150–180 °C

• Vapores de aceite

• Combustibles

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3.4 Electrónica interna

• Amplificadores de instrumentación

• ADC de alta resolución

• Control de temperatura en lazo cerrado

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4. Fenómenos físicos involucrados

4.1 Transferencia de calor

Dominante:

• Convección forzada

• En menor grado conducción y radiación

Ecuación simplificada:

$$P_{eléctrica} = h(\dot{m}) \cdot (T_{sensor} - T_{aire})$$

4.2 Electricidad

• Variación de resistencia del platino:

$$R(T)=R_0(1+\alpha \mathrm{\Delta }T)$$

La ECU mide:

• Voltaje

• Corriente

• Frecuencia (según diseño)

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4.3 Dinámica de fluidos

• Perfil de flujo no uniforme

• Turbulencia inducida

• Sensibilidad al régimen de Reynolds

Por eso:

• El MAF se coloca después del filtro

• A cierta distancia de curvas

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5. Fenómenos químicos (MUY importantes)

5.1 Contaminación del MAF

El sensor NO toca el aire limpio ideal, sino:

• Vapores de aceite (PCV)

• Aerosoles de combustible

• Polvo microscópico

• Silicona de filtros mal aceitados

Reacciones químicas

• Oxidación de hidrocarburos sobre el platino

• Formación de capas aislantes

• Alteración del coeficiente térmico

 Por eso:

• El platino no se oxida, pero se ensucia

• Cambia la lectura sin fallar eléctricamente

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5.2 Autolimpieza térmica

Muchos MAF calientan el sensor a:
🔥 800–1000 °C durante segundos
al apagar el motor

Esto:

• Quema residuos orgánicos

• No elimina silicona ni cenizas metálicas

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6. Diferencias entre MAF en gasolina vs diésel

6.1 Motor gasolina

• AFR cercano a 14.7:1 (estequiométrico)

• MAF crítico para:

  • Inyección

  • Encendido

  • Control de emisiones

• Lectura errónea → fallos graves

 Gasolina:

• Menor cantidad de aire

• Más sensible a errores

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6.2 Motor diésel

• AFR muy variable (18:1 a 70:1)

• El diésel no regula por aire, regula por combustible

• MAF se usa para:

  • Control EGR

  • Turbo

  • Diagnóstico

📌 Si el MAF falla:

• El motor suele seguir funcionando

• Pero con más humo y menor eficiencia

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7. Interacción MAF–EGR (clave en diésel)

El MAF detecta:

• Aire fresco

• Aire recirculado (EGR)

La ECU compara:

$${\dot{m}}_{te\acute{o}rica}-{\dot{m}}_{medida}={\dot{m}}_{EG\mathrm{R}}$$

Si hay:

• Hollín

• Aceite

• Ácidos de combustión

➡ El MAF se contamina mucho más rápido en diésel

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8. Por qué el MAF es uno de los sensores más delicados

• Mide fenómenos térmicos, eléctricos y fluidodinámicos

• Opera en milisegundos

• Está expuesto a química agresiva

• Un error del 3–5% ya afecta emisiones

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9. Resumen técnico ultra corto

Aspecto	Detalle
Qué mide	Masa de aire
Principio	Convección térmica
Material sensor	Platino
Fenómenos	Calor, electricidad, fluidos
Problema común	Contaminación
Gasolina	Control directo de combustión
Diésel	Control EGR y turbo

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Ahora vamos a entrar con nuestros ingenieros mas expertos para ver cálculos matemáticos, entramos ya en nivel ingeniería dura / modelado matemático y control. Vamos a dividirlo en dos bloques para que sea mas entendible, con ecuaciones reales (las que se usan en papers y calibración OEM).

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I. Derivación de ecuaciones completas del sensor MAF (Hot Wire / Hot Film)

1. Modelo físico general

Un MAF térmico se modela como un sistema electro-térmico en lazo cerrado.

Variables

• $T_s$: temperatura del sensor

• $T_a$: temperatura del aire

• $\dot{m}$: flujo másico de aire

• $R(T)$: resistencia del sensor

• $I$: corriente

• $V$: voltaje

• $h(\dot{m})$: coeficiente convectivo

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2. Ecuación de balance energético (ecuación fundamental)

$$\boxed{ m_s c_s \frac{dT_s}{dt} = P_{eléctrica} - Q_{conv} - Q_{cond} - Q_{rad} }$$

Donde:

Potencia eléctrica (Ley de Joule)

$$P_{eléctrica} = I^2 R(T_s)$$

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Convección forzada (dominante)

$$Q_{conv} = h(\dot{m}) \cdot A \cdot (T_s - T_a)$$

El coeficiente convectivo depende del flujo másico:

$$h(\dot{m})=k_1+k_2{\dot{m}}^n$$

Con:

• $n \approx 0.5$ (flujo laminar)

• $n \approx 0.8$ (turbulento)

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Conducción (secundaria)

$$Q_{cond}=k_{cond}(T_s-T_{soporte})$$

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Radiación (generalmente despreciable)

$$Q_{rad}=\epsilon \sigma A(T_s^4-T_a^4)$$

📌 En calibración real:

$$Q_{rad}\ll Q_{con\mathrm{v}}$$

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3. Simplificación en régimen estacionario

En condiciones normales:

$$\frac{d{T}_s}{dt}=0$$

Entonces:

$$I^{2}R(T_s)=h(\dot{m})A(T_s-T_a)+Q_{con\mathrm{d}}$$

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4. Relación resistencia–temperatura (Platino)

$$R(T_s)=R_0[1+\alpha (T_s-T_0)]$$

Donde:

• $\alpha \approx 0.00392 \, \text{°C}^{-1}$
  

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5. Control de temperatura constante (CTA)

La mayoría de MAF modernos usan CTA:

$$\mathrm{\Delta }T=T_s-T_a=\text{constante}$$

Sustituyendo:

$$I^{2}R(T_s)=A\mathrm{\Delta }T(k_1+k_2{\dot{m}}^n)$$

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6. Forma práctica: Ley de King (modelo industrial)

Se llega empíricamente a:

$$\boxed{{\displaystyle V^2=A+B{\dot{m}}^{\mathrm{n}}}}$$

Donde:

• $V$ es la señal del MAF

• $n \approx 0.5$
  

📌 Esta ecuación es la que la ECU invierte numéricamente.

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7. Modelo dinámico (respuesta transitoria)

A partir del balance energético:

$$\tau \frac{d{T}_s}{dt}+T_s=K(\dot{m})$$

Donde:

$$\tau =\frac{m_s{c}_s}{h\mathrm{A<span\; class="vlist"><span\; class="mord"><span\; class="mord"><span\; class="msupsub"><span\; class="vlist-t\; vlist-t2"><span\; class="vlist-r"><span\; class="vlist-s"></span></span><span\; class="vlist-r"><span\; class="vlist"></span></span></span></span></span></span></span><span\; class="vlist-s"></span>}}$$

➡ A mayor flujo:

• $h ↑$
  

• $\tau ↓$
  

• Respuesta más rápida

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II. Cómo la ECU filtra la señal del MAF

La señal MAF NO es usable directamente:

• Turbulencias

• Pulsos de admisión

• Ruido eléctrico

• Vibraciones

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1. Cadena completa de procesamiento

$$\text{Sensor} \rightarrow \text{Acondicionamiento} \rightarrow \text{ADC} \rightarrow \text{Filtros digitales} \rightarrow \text{Modelo motor}$$

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2. Filtro analógico (hardware)

Antes del ADC:

Filtro RC pasa-bajo

$$H(s)=\frac{1}{1+sR\mathrm{C}}$$

Frecuencia de corte típica:

• 30–100 Hz

Elimina:

• Ruido EMI

• Picos rápidos

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3. Muestreo ADC

• Frecuencia típica: 1–5 kHz

• Resolución: 10–12 bits

• Sincronizado con cigüeñal en algunos sistemas

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4. Filtro digital básico (IIR de primer orden)

Muy común en ECUs:

$$\boxed{{\displaystyle y[k]=y[k-1]+\alpha (x[k]-y[k-1])}}$$

Donde:

$$\alpha =\frac{T_s}{\tau +T_{\mathrm{s<span\; class="vlist"><span\; class="mord"><span\; class="mord"><span\; class="msupsub"><span\; class="vlist-t\; vlist-t2"><span\; class="vlist-r"><span\; class="vlist-s"></span></span><span\; class="vlist-r"><span\; class="vlist"></span></span></span></span></span></span></span><span\; class="vlist-s"></span>}}}$$

📌 Interpretación:

• $x[k]$: MAF crudo

• $y[k]$: MAF filtrado

• $\tau$: constante de filtrado

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5. Filtro dependiente del régimen (load-based filtering)

La ECU cambia el filtrado según condiciones:

Condición	$\tau$
Ralentí	Alta
Crucero	Media
Aceleración	Baja

Esto evita:

• Retardo en aceleraciones

• Oscilaciones en ralentí

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6. Ventanas sincronizadas con eventos del motor

En motores multipunto:

$$\dot{m}_{cyl} = \frac{1}{N} \int_{\theta_1}^{\theta_2} \dot{m}_{MAF}(\theta) \, d\theta$$

Donde:

• $\theta$: ángulo de cigüeñal

• $N$: número de cilindros

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7. Fusión MAF + MAP (estimador híbrido)

ECUs modernas usan estimadores redundantes:

$${\dot{m}}_{est}=w_1{\dot{m}}_{MAF}+w_2{\dot{m}}_{MA\mathrm{P}}$$

Pesos variables según:

• RPM

• Temperatura

• Diagnóstico

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8. Diagnóstico y plausibilidad

Comparación continua:

$$\mid {\dot{m}}_{MAF}-{\dot{m}}_{MAP}\mid <ϵ$$

Si no:

• Código DTC

• Modo degradado

• Sustitución por modelo volumétrico

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III. Resumen técnico

Elemento	Modelo
Sensor	Sistema electro-térmico
Ecuación base	Balance energético
Ley práctica	King
Dinámica	Primer orden
Filtro ECU	IIR adaptativo
Protección	Estimador redundante