发布于 10-11 15:11:28
空气流量传感器也叫空气流量计，有5种类型：热膜式空气流量计、热线式空气流量计、翼片式空气流量计、量芯式空气流量计和卡门涡流式空气流量计。其中后三种属于体积空气流量计，已经淘汰。热线式空气流量计部分车还在采用；热膜式空气流量计应用最广泛。本节主要讲解热膜和热线这两种空气流量计。
1. 作用机理
空气流量传感器安装在空气滤清器和节气门体之间，用于检测发动机的进气量，是电控系统基本控制参数的来源之一，是电控发动机的重要元件。
空气流量传感器的作用是检测发动机进气量的大小，并将进气量信息通过电路的连接转化为电信号输入给ECU，以供ECU确定喷油量和点火时间。空气流量传感器获得的进气量信号是ECU进行喷油控制的主要依据，如果其损坏或其电路连接出现故障，则会使发动机的进气量测量不准确，使进入气缸的混合气过浓或过稀，从而导致ECU无法对喷油量进行准确的控制，导致发动机不能正常运转，尾气排放超标。
2. 作用目的
讲述空气流量传感器之前，我们先了解一下空燃比。
为了使1kg燃料充分燃烧，内燃机需要14.7kg的空气。这种燃料相对于空气的比例在技术上表示为理想空燃比。为了使发动机控制单元能够在各种运行状态下设定正确的空燃比，需要关于进气的准确信息。在理想状态时，空燃比的λ值为1。只有在理想状态时，废气中的有害物质才可能被三元催化转化器几乎全部清除。
（1）浓混合气 在浓混合气（λ＜1）时，废气中含有过多一氧化碳（CO）和未燃烧的碳氢化合物（HC）。例如，1.2kg燃油∶14.7kg空气。
（2）稀混合气 在稀混合气（λ＞1）时，废气中含有过多的氮氧化物（NOx）。例如，0.8kg燃油∶14.7kg空气。
准确测量吸入空气质量的目的在于，将空燃比控制在λ=1的范围内，并降低和清除废气中所含的有害物质。图2-1为空燃比示意图。
图2-1 空燃比示意图
根据进气量检测方式的不同，空气流量计可分为体积式和质量式2种。其中体积式的又分为叶片式、卡尔曼涡流式和量芯式；质量式的分为热线式和热膜式，奔驰、宝马、大众等很多车使用热膜式空气流量计。
早期的发动机燃油喷射系统分为D型（压力型）和L型（空气流量型）2种。
1. D型燃油喷射系统
无空气流量传感器。图2-2为D型燃油喷射系统基本控制构架。
图2-4 L型燃油喷射系统基本控制构架
L型发动机燃油喷射系统（图2-5）采用直接测量的方法，即利用空气流量传感器直接测量吸入进气管的空气流量。L型传感器又分为体积流量型传感器和质量流量型传感器2种。
图2-5 L型燃油喷射系统
1. 热膜式空气流量传感器结构
热膜式空气流量计固定在通向进气消音器的进气软管上，是一个组合式传感器。热膜式空气流量计获取实际空气量，不受空气压力影响。结合其他传感器，发动机控制单元计算出喷射的燃油量。有一个进气温度传感器集成在热膜式空气流量计内，该传感器用于测量废气涡轮增压器之前的进气温度。
热膜式空气流量传感器（图2-6～图2-8）的发热体是热膜。热膜由发热金属铂固定在薄的树脂膜上制成，其制作方法首先是在氧化铝陶瓷基片上采用蒸发工艺淀积金属薄膜，然后通过光刻工艺制作成梳状图形电阻，将电阻值调节到设计要求的阻值后在其表面覆盖一层绝缘保护膜，再引出电极引线。
图2-6 热膜式空气流量传感器结构
图2-9 热膜式空气流量传感器电路原理
RT—温度补偿电阻（进气温度传感器）；RH—发热元件（热膜）电阻；Rs—信号取样电阻；R1，R2—精密电阻；Ucc—电源电压；Us—信号电压；1—控制电路
当空气气流流经发热元件并使其受到冷却时，发热元件温度降低，阻值减小，电桥电压失去平衡，控制电路将增大供给发热元件的电流，使其温度保持高于温度补偿电阻120℃。电流增量的大小，取决于发热元件受到冷却的程度，即取决于流过传感器的空气量。当电桥电流增大时，取样电阻Rs上的电压就会上升，从而将空气流量的变化转化为电压信号Us的变化（图2-10）。信号电压输入ECU后，ECU可根据信号电压的高低计算出空气质量的大小。
图2-10 空气流量传感器特性
热膜式空气流量计参数见表2-1。
表2-1 热膜式空气流量计参数
（3）工作过程 当发动机怠速或空气为热空气时，因为怠速时节气门关闭或接近全闭，所以空气流速低、空气量少，或因空气温度越高，空气密度越小，所以在体积相同的情况下，发热元件受到冷却的程度小，阻值减小的幅度小，电桥平衡需要的电流小，因此信号取样电阻上的信号电压低，ECU根据信号电压即可计算出空气量。
当发动机负荷增大或空气为冷空气时，因为节气门开度增大，空气流速加快使空气流量增大，冷空气密度大，在体积相同的情况下冷空气质量大，所以发热元件受到冷却的程度增大，阻值减小幅度大，保持电桥平衡需要的电流增大，因此当发动机负荷增大时，信号电压升高。
3. 热膜式空气流量传感器故障判断
空气流量计故障会导致发动机怠速不稳，加速不良，检查如下。
图2-12 大众某车型空气流量传感器关联电路
G70—质量式空气流量计；G79—油门踏板位置传感器1；G83—散热器出口处的冷却液温度传感器；G185—油门踏板位置传感器2；J623—发动机控制单元；T2bz—2芯插头；T5f—5芯插头；T6q—6芯插头；T94—94芯插头
5. 热膜式空气流量传感器检测
（1）电阻检测 电阻测试主要是检测线束的导通性，以确认线束通畅情况，有无断路短路，插接器是否牢靠，各信号传递是否无干扰。在实际测量中，由于种种原因会导致误差，所以这些数值均为约数，不作为标准值。
（2）电压检测 电压测试有电源电压测试和信号电压测试2部分，其中信号电压测试是确定空气流量传感器是否失效的主要依据。
图2-20 热膜式空气流量传感器传感元件识别工作过程
（3）空气流量计诊断 数字信息相对于模拟线路连接来说，对干扰不敏感。发动机控制单元需要进气空气质量用于准确地计算与负荷有关的功能。在空气流量计失灵时，发动机控制单元将会使用一个在其内预设的替代空气流量计。
空气流量计向发动机控制单元传递一个包含被测空气质量的数字信号（频率）。发动机控制单元通过周期长度来识别测得的空气质量，见图2-21。
图2-26 热线式空气流量计电路
发动机转速超过1500r/min时，每次关闭发动机时，控制电脑ECU便控制着电路给热线输送一极限电压值，使热线迅速加热到可以清除其上脏物的温度，从而达到自清洁作用，因此，在热线式空气流量传感器导线连接器端子中，有一个由ECU输入自清洁信号的端子F。
热线式空气流量传感器连接器有5端子和6端子两种。由于热线式空气流量传感器的热线所需电流较大，其电源的供给是不通过ECU的，而是直接取自于蓄电池，因此，接线端子中有蓄电池供电端子E，同时也相应地增设了不通过ECU内部的搭铁端子，用它作为热线加热电路的搭铁端子C。
热线式空气流量传感器除上述搭铁端子外，还另有一个搭铁端子是通过控制电脑ECU内部来搭铁的，它是传感器内部集成电路的搭铁端子D。
A端子为调整一氧化碳的可变电阻输出端子（电位计的信号输出端）。在早期没有安装氧传感器的发动机上，该电位计用于调整怠速时可燃混合气的空燃比，从而进一步控制怠速时的一氧化碳排放浓度，与怠速混合气调整螺钉联动，输出高电压，ECU便稍微增加喷油量，混合气变浓，怠速较为稳定，废气中的一氧化碳含量会有所增加。相反，喷油量则减少，混合气变稀，废气中的一氧化碳含量有所减少。
4. 热线式空气流量传感器检测
（1）检测说明 检查是一种检测方法，不特定指某一款车型，各种车型的传感器插头端子设置有所不同，而且因车型的不同，热线式空气流量传感器的检测数据有所差异，但是检测方法基本相同。无论是怎样的检测，如果怀疑空气流量传感器有故障，则首先要拆下进行直观的检查：检查其护网有无阻塞或破裂，并从出口处观察铂丝热线是否堵塞、脏污、折断，并检查空气滤清器的质量和使用情况。
（2）检测方法
图2-29 热线式空气流量计与发动机电控单元的连接电路
1. 量芯式空气流量传感器的结构
量芯式空气流量传感器由翼片式空气流量传感器改进而成，它具有进气阻力小、计量精度高和工作性能可靠等优点，不是主流流量传感器，很少车上使用这种传感器，主要由量芯、电位计、进气温度传感器和线束插接器等组成。它的进气量测量部件由一个椭球形量芯构成，安装在进气道内，并可以沿着进气道移动，也就是量芯代替了翼片式传感器的翼片。电位计滑动臂的一端与量芯连接，另一端是滑动触点，当量芯移动时，触点可以在印制电路板的滑动电阻上移动。量芯式传感器没有旁通进气道，也没有怠速混合气调整螺钉。而发动机怠速时，混合气的浓度由电子控制单元根据氧传感器的反馈信号进行空燃比的调节。
2.量芯式空气流量传感器的工作原理
发动机ECU向空气流量传感器的VC端输入一个不变的5V电压，量芯在进气气流的推动下向后移动，导致电压输出端VS输出一个可变电压，并把VS的电压信号输入ECU，因进气量与VS的电压变化值成正比，所以可测得进气量大小。进气温度传感器把进气温度信号也输入ECU，用于修正进气量，ECU按最佳比例控制空燃比，使发动机在任何工况下都能正常工作。
1. 翼片式空气流量传感器结构
翼片式空气流量传感器又称活门式空气流量传感器，是利用力矩平衡原理和电位器原理开发研制的机械式传感器，已生产使用多年，具有结构简单、价格便宜、可靠性高的优点，广泛用于丰田皇冠、佳美、子弹头、马自达等轿车的燃油喷射系统中。它主要由翼片、电位计和接线端子3部分组成，见图2-30。
图2-30 翼片式空气流量传感器
（1）翼片 翼片式空气流量传感器的翼片包括在主空气道内旋转的测量翼片和缓冲翼片，两者铸成一体。缓冲翼片在缓冲室内偏转，对测量翼片起阻尼作用，当发动机吸入的空气量急剧变化和气流脉动时，减小翼片的脉动。
（2）电位计 电位计位于空气流量传感器上壳体上方，内有平衡配重、滑臂、复位弹簧、调整齿圈和印制电路板等。
（3）接线端子 翼片式空气流量传感器的接线插头共有7个接线端子，有些轿车的传感器取消了燃油泵控制触点，其接线插头为5个接线端子，在插头护套上一般都标有接线端子名称。
2. 翼片式空气流量传感器工作原理
当空气通过传感器的主通道时，翼片将受吸入空气气流的压力和复位弹簧的弹力共同作用，节气门开度增大时，空气流量增大，气流压力将增大，此压力作用在翼片上使其偏转，令其转角α逐渐增大，直到气流的压力和复位弹簧的弹力平衡。与此同时，电位计的滑臂与翼片转轴同轴旋转，使接线端子VC与Vo之间的电阻减小，使其分压电压Uo的值降低。当吸入空气的流量减小时，翼片转角α减小，接线端子VC与Vo之间的电阻增大，Uo电压值升高。这样，发动机电控单元（ECU）就可根据空气流量传感器输出的Uo/UB的信号大小感知空气流量的大小。Uo/UB的电压比值与空气流量成反比。翼片式空气流量传感器电路原理见图2-31。
图2-32 光学式卡尔曼涡流式空气流量计结构
（2）光学式卡尔曼涡流式空气流量计原理 卡门旋涡是指在流体中放置一个圆柱状或三角状物体时，在这一物体的下游就会产生两列旋转方向相反并交替出现的旋涡。当满足h/a=0.281时，两列旋涡才是稳定的，见图2-33。
图2-35 超声波式卡尔曼涡流式空气流量计原理
3. 卡尔曼涡流式空气流量计电路
为了对进气温度进行适时检测，卡尔曼涡流式空气流量传感器内装有进气温度传感器。
图解
ECU根据进气温度信号THA，对随气温变化的空气密度进行修正。因此，卡尔曼涡流式空气流量传感器接线端子上有进气温度信号THA端子和进气温度传感器接地端子E1，见图2-36。
图2-36 卡尔曼涡流式空气流量计电路
为保证卡尔曼涡流式空气流量传感器内电路正常工作，通过ECU给传感器输入工作电压，其信号端子为VC，传感器接地端子为E2。卡尔曼涡流式空气流量传感器输出信号端子上常以“KS”符号来表示。
