空气计量传感器

空气流量计安装在空气滤清器和节气门之间，用来测量进入汽缸内空气量的多少，然后将进气量信号转换成电气信号输入电控单元，从而由电控单元计算出喷油量，控制喷油器向节气门室(进气管)喷入与进气量成最佳比例的燃油。

目前汽车上所用的空气流量计主要有叶片式空气流量计、卡门涡旋式空气流量计、真空度-转速(压感式)空气流量计、热线式空气流量计和热膜式空气流量计五种。其中真空度-转速空气流量计仅为一只进气歧管压力传感器。

2.1.1 空气流量式计量原理

图2-1所示是叶片式空气流量计的结构，图2-2所示是叶片式空气流量计的空气通道，图2-3所示是叶片式空气流量计的电位计部分结构。

图2-1 叶片式空气流量计的结构

1—电位计;2—电动汽油泵可动触点;3—进气温度传感器;4—电动汽油泵固定触点;5—测量板(叶片);6—怠速调整螺钉

叶片式空气流量计由测量板(叶片)、缓冲板、阻尼室、旁通气道、混合比调整螺钉、回位弹簧等组成，此外内部还设有电动汽油开关及进气温度传感器等。

在有的叶片式空气流量计中，还有一电动汽油泵开关，其作用是当点火接通而发动机不转动时，控制电动汽油泵不工作。一旦空气流量计中有空气流过，此开关即闭合，电动汽油泵便开始工作。这种有电动汽油泵开关的空气流量计的电插座一般为7脚。

叶片式空气流量计电位计是以电位变化检测空气量的装置，它与空气流量计测量板同轴安装，能把因测量板开度而产生的滑动电阻变化转换为电压信号，并送给电控单元，如图2-4(a)所示。图2-4(b)所示是其工作原理图，在测量板的回转轴上，装有一根螺旋回位弹簧，当吸入空气推开测量板的力与弹簧变形后的回位力相平衡时，测量板即停止转动。用电位计检测出测量板的转动角度，即可得知空气流量。

图2-2 叶片式空气流量计的空气通道

1—旁通气道;2—进气温度传感器;3—阀门;4—阻尼室;5—缓冲板;6—主空气通道;7—测量板(叶片)

图2-3 叶片式空气流量计的电位计部分结构

1—空气进口;2—电动汽油泵接点;3—平衡块;4—回位弹簧;5—电位计部分;6—空气出口

叶片式空气流量计电位计的内部电路如图2-5所示，电位计检测空气量有电压比与电压值两种方式。

在VB端子上加有蓄电池电压而形成电压VC，那么检测出来的是VB—E2与VC—VS的电压比。

电压值检测方法的原理是吸入空气量∝随电位计动作变化的电压值。当在VC端子加上一定的电压( +5V)时，电位计滑动触头的动作随吸入空气量变化，VS—E2间的电压变化直接作为吸入空气量信息，把滑动触头电压送入电控单元并进行A/D变换，即可以数字信号输出检测结果。滑动触头电压与吸入空气量成正比，呈线性关系。

图2-4 电位计与测量板的安装关系及叶片式空气流量计的工作原理

(a)电位计与测量板的安装关系;(b)叶片式空气流量计的工作原理

1—电位计;2—来自空气滤清器的空气;3—到发动机的空气;4—测量板;5—电位计滑动触头;6—旁通气道

图2-5 电位计内部电路

1—电动汽油泵开关;2—电位计

表2-1为电压比与电压值两种检测方式的对比表。

由于电路设计上的不同，叶片式空气流量计的电压输出形式有两种，一种是电压值US随进气量的增加而升高;另一种则是电压值US随进气量的增加而降低，如图2-6所示。

表2-1 两种检测方式对比表

图2-6 叶片式空气流量计的电压输出形式

(a)电压值US随进气量增加而降低;(b)电压值US随进气量增加而升高

2.1.2 空气速密式计量原理

1.速度密度式进气系统

速度密度式进气系统，利用进气歧管绝对压力传感器测得进气歧管中的绝对压力，然后根据绝对压力值和发动机转速推算出每一循环发动机吸入的空气量。由于进气歧管中的空气压力是变化的，因此速度密度方式不容易精确检测吸入的空气量。速度密度方式的进气系统组成如图2-7所示，它与质量流量方式进气系统的主要差别是用进气歧管绝对压力传感器代替了空气流量计。

图2-7 速度密度式进气系统

(a)系统框图;(b)系统构成图

1—进气歧管绝对压力传感器;2—发动机;3—稳压箱;4—节流阀体;5—空气滤清器;6—空气阀;7—喷油器

经过空气滤清器过滤的空气，经节气门体流入稳压箱，分配给各缸进气管，然后与喷油器喷射的汽油混合形成可燃混合气，再吸入汽缸内。

2.真空度 转速式空气流量计

真空度 转速式(压感式)空气流量计，从某种角度上讲，它并不是空气流量计，仅为一只进气歧管压力传感器，但由于其功用是测量进入发动机汽缸的进气量，故仍作为一种空气流量计来讨论。在电控汽油喷射系统中常用的进气歧管压力传感器有真空膜盒式和半导体式两种。

图2-8所示为真空膜盒式进气歧管压力传感器的结构图，该传感器由真空膜盒(两个)、随着膜盒膨胀和收缩可左右移动的铁芯、与铁芯联动的差动变压器以及在大气压力差作用下可在膜盒工作区间进行功率挡与经济挡转换的膜片构成，传感器被膜片分为左右两个气室。

图2-9所示为半导体式进气歧管压力传感器的结构图，它由半导体压力转换元件(硅片)与过滤器组成。该传感器的主要元件是一片很薄的硅片，外围较厚，中间较薄，硅片上下两面各有一层二氧化硅膜。在膜层中，沿硅片四边有四个应变电阻。在硅片四角，各有一个金属块，通过导线和电阻相连。在硅片底面粘接了一块硼硅酸玻璃片，使硅膜片中部形成一个真空窗以传感压力。硅膜片的结构如图2-10(a)所示。传感器通常用一根橡胶管与需要测量其中压力的部位相连。硅片中的四个电阻连接成惠斯登电桥形式，如图2-10(b)所示，由稳压电源供电，电桥在硅片无变形时调到平衡状态。当空气压力增加时，硅膜片弯曲，引起电阻值的变化，其中R1和R4的电阻增加，而R2、R3的电阻则等量减少。这使电桥失去平衡而在AB端形成电位差，从而输出正比于压力的电压信号。

图2-8 真空膜盒式进气歧管压力传感器

1—大气压力侧;2—歧管负压侧;3—印刷线路板;4—回位弹簧;5—差动变压器;6—铁芯;7—中空膜盒;8—膜片;9—膜盒支点

图2-9 半导体式进气歧管压力传感器

1—真空室;2—硅片;3—输出端子;4—过滤体

2.1.3 空气流速式计量原理

与叶片式空气流量计相比，卡门旋涡式空气流量计具有体积小、重量轻、进气道结构简单、进气阻力小等优点。

按照旋涡数的检测方式不同，卡门旋涡式空气流量计的结构可以分为反光镜检测式和超声波检出式两种。

图2-11所示为反光镜检测式空气流量计。这种卡门旋涡式空气流量计是把卡门旋涡发生器两侧的压力变化，通过导压孔而引向薄金属制成的反光镜表面，使反光镜产生振动，反光镜一边振动，一边将发光二极管射来的光反射给光电晶体管，这样旋涡的频率在压力作用下转换成镜面的振动频率，镜面的振动频率通过光电耦合器转换成脉冲信号，进气量愈大，脉冲信号的频率愈高，进气量愈小，脉冲信号的频率愈低。ECU根据该脉冲信号的频率，检测进气量(还要经过进气温度修正)和基准点火提前角。

图2-10 半导体式压力传感器硅膜片的结构及电路

(a)硅膜片的结构;(b)硅膜片的桥形电路

1—硅片;2—硅;3—真空窗;4—硼硅酸玻璃片;5—二氧化硅膜;6—应变电阻;7—金属块;8—稳压电源;9—差动放大器

图2-12所示为超声波检出式空气流量计。这种卡门旋涡式空气流量计是利用卡门旋涡引起的空气疏密度变化进行测量的，用接收器接收连续发射的超声波信号，因接收到的信号随空气疏密度的变化而变化，由此即可测得旋涡频率，从而测得空气流量。其具体方法是在卡门旋涡发生区空气通道的两侧，分别装上超声波发射头4和超声波接收器8，发射头4沿涡列的垂直方向发射超声波，由于旋涡使超声波的传播速度发生变化，超声波受到周期性的调制，使其振幅、相位、频率发生变化。这种被调制后的超声波，被超声波接收器8接收后，变换成相应的电压，再经整形、放大电路，形成与旋涡数目相应的矩形脉冲信号，然后送入电控单元作为空气流量信号。

由于卡门旋涡式空气流量计没有可动部件、反应灵敏、测量精度高，所以现在被广泛采用。卡门旋涡式空气流量计与叶片式空气流量计直接测得的均是空气的体积流量，因此在空气流量计内均装有进气温度传感器，以便对随气温而变化的空气密度进行修正，从而正确计算出进气的质量流量。

图2-11 反光镜检测式空气流量计结构

(a)结构图;(b)结构简图;(c)输出脉冲信号波形

1—反光镜;2—发光二极管;3—钢板弹簧;4—空气流;5—卡门旋涡;6—旋涡发生体;7—压力导向孔;8—光电晶体管;9—进气管路;10—支承板

图2-12 超声波检出式空气流量计结构

1—整流栅;2—旋涡发生体;3—旋涡稳定板;4—信号发生器(超声波发射头);5—超声波发生器;6—通往发动机;7—卡门旋涡;8—超声波接收器;9—与旋涡数对应的疏密声波;10—整形放大电路;11—旁通气路;12—通往计算机;13—整形成的矩形波

2.1.4 空气质量(LH)式计量原理

图2-13所示为质量流量式进气系统结构图。该进气系统利用空气流量计直接测量吸入的空气量，通常用测得的空气流量与发动机转速的比值作为计算喷油量的标准。空气经过空气滤清器过滤后，用空气流量计进行测量，然后通过节气门体到达稳压箱，再分配给各缸进气管。在进气管内，由喷油器中喷出的汽油与空气混合后被吸入汽缸内进行燃烧。

图2-13 质量流量式进气系统结构

(a)系统图;(b)剖视图

1—空气滤清器;2—空气流量计;3—节气门体;4—节气门;5—进气总管(稳压箱);6—喷油器;7—进气歧管;8—辅助空气阀

LH式空气流量计分为两种:一种是热线式空气流量计，另一种是热膜式空气流量计。两者的工作原理类似，都是用惠斯登电桥工作的。所不同的是:热膜式不使用白金丝作为热线，而是将热线电阻、补偿电阻及桥路电阻用厚膜工艺制作在同一陶瓷基片上构成的。热线式空气流量计有三种形式:一种是把热线和进气温度传感器都放在进气主通路的取样管内，称为主流测量式，其结构如图2-14(a)所示;另一种是把热线缠在绕线管上和进气温度传感器都放在旁通气路内，称为旁通测量式，其结构如图2-14(b)所示;第三种是发热体不是热线而是热膜，即在热线位置放上热膜，发热金属膜固定在薄的树脂膜上，这种结构可使发热体不直接承受空气流动所产生的作用力，以延长使用寿命，其结构如图2-14(c)所示。为了将热线温度与进气温度的温差维持恒定，前两种热线式空气流量计都设有控制回路，如果热线因吸入的空气而变冷，则控制回路可以增加供给热线的电流，以使热线与进气的温度差恢复到原来恒定的状态。

图2-14 热线式空气流量计

(a)主流测量式;(b)旁通测量式;(c)热膜式

1—防回火网;2—取样管;3—白金热线;4—上游温度传感器;5—控制回路;6—连接器;7—热金属线和冷金属线;8—陶瓷螺线管;9—接控制回路;10—进气温度传感器(冷金属线);11—旁通气路;12—主通气路;13—通往发动机;14—热膜;15—金属网

热线式空气流量计长期使用后，会在热线上积累杂质。为了消除使用中电热线上附着的胶质积炭对测量精度的影响，在流量计上采用烧净措施解决这个问题。每当发动机熄火时(或启动时)，ECU自动接通空气流量计壳体内的电子电路加热热线，使其温度在1s内升高到1000℃。由于烧净温度必须非常精确，因此在发动机熄火4s后，该电路才被接通。

由于热线式空气流量计测量的是进气质量流量，它已把空气密度、海拔高度等影响考虑在内，因此可以得到非常精确的空气流量信号。

2.1.5 空气计量计检测方法及技巧

1.热线式空气流量传感器的检测

图2-15所示为日产MAXIMA车VG30E发动机热线式空气流量传感器的检测电路。

(1)检查空气流量传感器输出信号。拔下此空气流量传感器的导线连接器，拆下空气流量传感器，2-15所示，将蓄电池的电压施加于空气流量传感器的端子D和E之间(电源极性应正确)，然后用万用表电压挡测量端子B和D之间的电压，其标准电压值为(1.6±0.5)V。如其电压值不符，则须更换空气流量传感器。在进行上述检查之后，给空气流量传感器的进气口吹风，同时测量端子B和D之间的电压。在吹风时，电压应上升至2～4V。

图2-15 热线式空气流量传感器电路

(2)检查自清洁功能。装好热线式空气流量传感器及其导线连接器，拆下此空气流量传感器的防尘网，启动发动机并加速到2500r/min以上。当发动机停转5s后，从空气流量传感器进气口处，可以看到热线自动加热烧红(约1000℃)约1s。如无此现象发生，则须检查自清信号或更换空气流量传感器。

1)万用表检测

电源线:拔下连接器，点火开关为ON，测量端子E与搭铁间的电压，其值应为12V。

搭铁线:拔下连接器，点火开关为OFF，测量端子D、C与搭铁间的电阻，其值应为0Ω。

流量信号线:插好连接器，点火开关为ON，测量端子B与D间的电压，其值在发动机不启动时应小于0.5V，在发动机怠速时应为1.0～1.3V，发动机3000r/min时应为1.8～2.0V，并随进气流量的增大而增大。

自清信号线:发动机热机，转速为1500r/min时，测量端子F与D间的电压，点火开关为OFF，电压应回0V并在5s后跳跃上升，1s后又回0V;发动机熄火5s后，自动加热至发出红光，并持续1s。

2)示波器检测

模拟信号:输出信号电压随进气流量的增大而增大，如图2-16所示。

通常热线(热膜)式空气流量传感器输出信号电压范围是从怠速时超过0.2V变至节气门全开时超过4V，当急减速时输出信号电压应比怠速时的电压稍低。

数字信号:输出信号频率随进气流量的增大而增大。

波形的幅值大多数应满5V，波形的形状要适当一致，矩形的拐角和垂直沿的一致性要好，如图2-17所示。

2.卡门旋涡式空气流量传感器的检测

卡门旋涡式空气流量传感器的检测电路如图2-18所示。

1)万用表检测

万用表检测如图2-19所示。

电源线:拔下连接器，点火开关为ON，测量端子VC与搭铁间的电压，其值应为5V。

搭铁线:拔下连接器，点火开关为OFF，测量端子E2与搭铁间的电阻，其值应为0Ω。

信号线:插好连接器，点火开关为ON，测量端子KS与E2间的电压，发动机不启动时应

图2-16 示波器检测1

图2-17 示波器检测2

图2-18 卡门旋涡式空气流量传感器电路

(a)测量示意图;(b)电路

为4.5～5.5V;发动机运转时应为2～4V，并随进气流量的增大而增大。

图2-19 万用表检测

(a)VC—E1端子间电压的检测;(b)KS—E1端子间电压的检查

2)示波器检测

示波器检测，如图2-20所示。

图2-20 示波器检测

数字信号:输出信号频率随进气流量增大而增大，占空比、脉冲宽度也改变。

3.翼板式空气流量传感器的检测

翼板式空气流量传感器检测(丰田大霸王2TZ—FE发动机)，如图2-21所示。

1)万用表检测

电源线:拔下连接器，点火开关为ON，测量端子VC与搭铁间的电压，其值应为5V;测量端子FC与搭铁间的电压，其值应为12V。

搭铁线:拔下连接器，点火开关为OFF，测量端子E2、E1与搭铁间的电阻，其值应为0Ω。

传感器静态电阻:拔下连接器，点火开关为OFF，测量插座各接脚间的电阻，其值应与表2-2中规定相符。

信号线:插好连接器，点火开关为ON，测量各接脚间的电阻，其值应与表2-2中规定相符。

图2-21 翼板式空气流量传感器检测

表2-2 丰田车翼板式空气流量传感器各端子间的电阻

2)示波器检测

模拟信号:输出信号电压随进气流量的增大而增大。

正常旋转翼片式空气流量传感器怠速时输出电压约为1V，节气门全开时应超过4V，急减速(急抬加速踏板)时输出电压并不是非常快地从急加速电压回到怠速电压。在急加速时波形中的小尖峰是由于叶片过量摆动造成的。