空氣流量傳感器知識

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空氣流量傳感器介紹

空氣流量傳感器也叫空氣流量計,有5種類型:熱膜式空氣流量計、熱線式空氣流量計、翼片式空氣流量計、量芯式空氣流量計和卡門渦流式空氣流量計。其中后三種屬于體積空氣流量計,已經淘汰。熱線式空氣流量計部分車還在采用;熱膜式空氣流量計應用最廣泛。本節主要講解熱膜和熱線這兩種空氣流量計。

一、空氣流量傳感器的作用

1. 作用機理

空氣流量傳感器安裝在空氣濾清器和節氣門體之間,用于檢測發動機的進氣量,是電控系統基本控制參數的來源之一,是電控發動機的重要元件。

空氣流量傳感器的作用是檢測發動機進氣量的大小,并將進氣量信息通過電路的連接轉化為電信號輸入給ECU,以供ECU確定噴油量和點火時間??諝饬髁總鞲衅鳙@得的進氣量信號是ECU進行噴油控制的主要依據,如果其損壞或其電路連接出現故障,則會使發動機的進氣量測量不準確,使進入氣缸的混合氣過濃或過稀,從而導致ECU無法對噴油量進行準確的控制,導致發動機不能正常運轉,尾氣排放超標。

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2. 作用目的

講述空氣流量傳感器之前,我們先了解一下空燃比。

為了使1kg燃料充分燃燒,內燃機需要14.7kg的空氣。這種燃料相對于空氣的比例在技術上表示為理想空燃比。為了使發動機控制單元能夠在各種運行狀態下設定正確的空燃比,需要關于進氣的準確信息。在理想狀態時,空燃比的λ值為1。只有在理想狀態時,廢氣中的有害物質才可能被三元催化轉化器幾乎全部清除。

(1)濃混合氣 在濃混合氣(λ<1)時,廢氣中含有過多一氧化碳(CO)和未燃燒的碳氫化合物(HC)。例如,1.2kg燃油∶14.7kg空氣。

(2)稀混合氣 在稀混合氣(λ>1)時,廢氣中含有過多的氮氧化物(NOx)。例如,0.8kg燃油∶14.7kg空氣。

準確測量吸入空氣質量的目的在于,將空燃比控制在λ=1的范圍內,并降低和清除廢氣中所含的有害物質。圖2-1為空燃比示意圖。

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圖2-1 空燃比示意圖

空氣流量傳感器的類型

根據進氣量檢測方式的不同,空氣流量計可分為體積式和質量式2種。其中體積式的又分為葉片式、卡爾曼渦流式和量芯式;質量式的分為熱線式和熱膜式,奔馳、寶馬、大眾等很多車使用熱膜式空氣流量計。

早期的發動機燃油噴射系統分為D型(壓力型)和L型(空氣流量型)2種。

1. D型燃油噴射系統

無空氣流量傳感器。圖2-2為D型燃油噴射系統基本控制構架。

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圖2-4 L型燃油噴射系統基本控制構架

L型發動機燃油噴射系統(圖2-5)采用直接測量的方法,即利用空氣流量傳感器直接測量吸入進氣管的空氣流量。L型傳感器又分為體積流量型傳感器和質量流量型傳感器2種。

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圖2-5 L型燃油噴射系統

三、空氣流量傳感器維修

(一)熱膜式空氣流量傳感器

1. 熱膜式空氣流量傳感器結構

熱膜式空氣流量計固定在通向進氣消音器的進氣軟管上,是一個組合式傳感器。熱膜式空氣流量計獲取實際空氣量,不受空氣壓力影響。結合其他傳感器,發動機控制單元計算出噴射的燃油量。有一個進氣溫度傳感器集成在熱膜式空氣流量計內,該傳感器用于測量廢氣渦輪增壓器之前的進氣溫度。

熱膜式空氣流量傳感器(圖2-6~圖2-8)的發熱體是熱膜。熱膜由發熱金屬鉑固定在薄的樹脂膜上制成,其制作方法首先是在氧化鋁陶瓷基片上采用蒸發工藝淀積金屬薄膜,然后通過光刻工藝制作成梳狀圖形電阻,將電阻值調節到設計要求的阻值后在其表面覆蓋一層絕緣保護膜,再引出電極引線。

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圖2-6 熱膜式空氣流量傳感器結構

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圖2-9 熱膜式空氣流量傳感器電路原理

RT—溫度補償電阻(進氣溫度傳感器);RH—發熱元件(熱膜)電阻;Rs—信號取樣電阻;R1,R2—精密電阻;Ucc—電源電壓;Us—信號電壓;1—控制電路

當空氣氣流流經發熱元件并使其受到冷卻時,發熱元件溫度降低,阻值減小,電橋電壓失去平衡,控制電路將增大供給發熱元件的電流,使其溫度保持高于溫度補償電阻120℃。電流增量的大小,取決于發熱元件受到冷卻的程度,即取決于流過傳感器的空氣量。當電橋電流增大時,取樣電阻Rs上的電壓就會上升,從而將空氣流量的變化轉化為電壓信號Us的變化(圖2-10)。信號電壓輸入ECU后,ECU可根據信號電壓的高低計算出空氣質量的大小。

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圖2-10 空氣流量傳感器特性

熱膜式空氣流量計參數見表2-1。

表2-1 熱膜式空氣流量計參數

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(3)工作過程 當發動機怠速或空氣為熱空氣時,因為怠速時節氣門關閉或接近全閉,所以空氣流速低、空氣量少,或因空氣溫度越高,空氣密度越小,所以在體積相同的情況下,發熱元件受到冷卻的程度小,阻值減小的幅度小,電橋平衡需要的電流小,因此信號取樣電阻上的信號電壓低,ECU根據信號電壓即可計算出空氣量。

當發動機負荷增大或空氣為冷空氣時,因為節氣門開度增大,空氣流速加快使空氣流量增大,冷空氣密度大,在體積相同的情況下冷空氣質量大,所以發熱元件受到冷卻的程度增大,阻值減小幅度大,保持電橋平衡需要的電流增大,因此當發動機負荷增大時,信號電壓升高。

3. 熱膜式空氣流量傳感器故障判斷

空氣流量計故障會導致發動機怠速不穩,加速不良,檢查如下。

圖2-12 大眾某車型空氣流量傳感器關聯電路

G70—質量式空氣流量計;G79—油門踏板位置傳感器1;G83—散熱器出口處的冷卻液溫度傳感器;G185—油門踏板位置傳感器2;J623—發動機控制單元;T2bz—2芯插頭;T5f—5芯插頭;T6q—6芯插頭;T94—94芯插頭

5. 熱膜式空氣流量傳感器檢測

(1)電阻檢測 電阻測試主要是檢測線束的導通性,以確認線束通暢情況,有無斷路短路,插接器是否牢靠,各信號傳遞是否無干擾。在實際測量中,由于種種原因會導致誤差,所以這些數值均為約數,不作為標準值。

(2)電壓檢測 電壓測試有電源電壓測試和信號電壓測試2部分,其中信號電壓測試是確定空氣流量傳感器是否失效的主要依據。

圖2-20 熱膜式空氣流量傳感器傳感元件識別工作過程

(3)空氣流量計診斷 數字信息相對于模擬線路連接來說,對干擾不敏感。發動機控制單元需要進氣空氣質量用于準確地計算與負荷有關的功能。在空氣流量計失靈時,發動機控制單元將會使用一個在其內預設的替代空氣流量計。

空氣流量計向發動機控制單元傳遞一個包含被測空氣質量的數字信號(頻率)。發動機控制單元通過周期長度來識別測得的空氣質量,見圖2-21。

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圖2-26 熱線式空氣流量計電路

發動機轉速超過1500r/min時,每次關閉發動機時,控制電腦ECU便控制著電路給熱線輸送一極限電壓值,使熱線迅速加熱到可以清除其上臟物的溫度,從而達到自清潔作用,因此,在熱線式空氣流量傳感器導線連接器端子中,有一個由ECU輸入自清潔信號的端子F。

熱線式空氣流量傳感器連接器有5端子和6端子兩種。由于熱線式空氣流量傳感器的熱線所需電流較大,其電源的供給是不通過ECU的,而是直接取自于蓄電池,因此,接線端子中有蓄電池供電端子E,同時也相應地增設了不通過ECU內部的搭鐵端子,用它作為熱線加熱電路的搭鐵端子C。

熱線式空氣流量傳感器除上述搭鐵端子外,還另有一個搭鐵端子是通過控制電腦ECU內部來搭鐵的,它是傳感器內部集成電路的搭鐵端子D。

A端子為調整一氧化碳的可變電阻輸出端子(電位計的信號輸出端)。在早期沒有安裝氧傳感器的發動機上,該電位計用于調整怠速時可燃混合氣的空燃比,從而進一步控制怠速時的一氧化碳排放濃度,與怠速混合氣調整螺釘聯動,輸出高電壓,ECU便稍微增加噴油量,混合氣變濃,怠速較為穩定,廢氣中的一氧化碳含量會有所增加。相反,噴油量則減少,混合氣變稀,廢氣中的一氧化碳含量有所減少。

4. 熱線式空氣流量傳感器檢測

(1)檢測說明 檢查是一種檢測方法,不特定指某一款車型,各種車型的傳感器插頭端子設置有所不同,而且因車型的不同,熱線式空氣流量傳感器的檢測數據有所差異,但是檢測方法基本相同。無論是怎樣的檢測,如果懷疑空氣流量傳感器有故障,則首先要拆下進行直觀的檢查:檢查其護網有無阻塞或破裂,并從出口處觀察鉑絲熱線是否堵塞、臟污、折斷,并檢查空氣濾清器的質量和使用情況。

(2)檢測方法

圖2-29 熱線式空氣流量計與發動機電控單元的連接電路

(三)量芯式空氣流量傳感器

1. 量芯式空氣流量傳感器的結構

量芯式空氣流量傳感器由翼片式空氣流量傳感器改進而成,它具有進氣阻力小、計量精度高和工作性能可靠等優點,不是主流流量傳感器,很少車上使用這種傳感器,主要由量芯、電位計、進氣溫度傳感器和線束插接器等組成。它的進氣量測量部件由一個橢球形量芯構成,安裝在進氣道內,并可以沿著進氣道移動,也就是量芯代替了翼片式傳感器的翼片。電位計滑動臂的一端與量芯連接,另一端是滑動觸點,當量芯移動時,觸點可以在印制電路板的滑動電阻上移動。量芯式傳感器沒有旁通進氣道,也沒有怠速混合氣調整螺釘。而發動機怠速時,混合氣的濃度由電子控制單元根據氧傳感器的反饋信號進行空燃比的調節。

2.量芯式空氣流量傳感器的工作原理

發動機ECU向空氣流量傳感器的VC端輸入一個不變的5V電壓,量芯在進氣氣流的推動下向后移動,導致電壓輸出端VS輸出一個可變電壓,并把VS的電壓信號輸入ECU,因進氣量與VS的電壓變化值成正比,所以可測得進氣量大小。進氣溫度傳感器把進氣溫度信號也輸入ECU,用于修正進氣量,ECU按最佳比例控制空燃比,使發動機在任何工況下都能正常工作。

(四)翼片式空氣流量傳感器

1. 翼片式空氣流量傳感器結構

翼片式空氣流量傳感器又稱活門式空氣流量傳感器,是利用力矩平衡原理和電位器原理開發研制的機械式傳感器,已生產使用多年,具有結構簡單、價格便宜、可靠性高的優點,廣泛用于豐田皇冠、佳美、子彈頭、馬自達等轎車的燃油噴射系統中。它主要由翼片、電位計和接線端子3部分組成,見圖2-30。

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圖2-30 翼片式空氣流量傳感器

(1)翼片 翼片式空氣流量傳感器的翼片包括在主空氣道內旋轉的測量翼片和緩沖翼片,兩者鑄成一體。緩沖翼片在緩沖室內偏轉,對測量翼片起阻尼作用,當發動機吸入的空氣量急劇變化和氣流脈動時,減小翼片的脈動。

(2)電位計 電位計位于空氣流量傳感器上殼體上方,內有平衡配重、滑臂、復位彈簧、調整齒圈和印制電路板等。

(3)接線端子 翼片式空氣流量傳感器的接線插頭共有7個接線端子,有些轎車的傳感器取消了燃油泵控制觸點,其接線插頭為5個接線端子,在插頭護套上一般都標有接線端子名稱。

2. 翼片式空氣流量傳感器工作原理

當空氣通過傳感器的主通道時,翼片將受吸入空氣氣流的壓力和復位彈簧的彈力共同作用,節氣門開度增大時,空氣流量增大,氣流壓力將增大,此壓力作用在翼片上使其偏轉,令其轉角α逐漸增大,直到氣流的壓力和復位彈簧的彈力平衡。與此同時,電位計的滑臂與翼片轉軸同軸旋轉,使接線端子VC與Vo之間的電阻減小,使其分壓電壓Uo的值降低。當吸入空氣的流量減小時,翼片轉角α減小,接線端子VC與Vo之間的電阻增大,Uo電壓值升高。這樣,發動機電控單元(ECU)就可根據空氣流量傳感器輸出的Uo/UB的信號大小感知空氣流量的大小。Uo/UB的電壓比值與空氣流量成反比。翼片式空氣流量傳感器電路原理見圖2-31。

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圖2-32 光學式卡爾曼渦流式空氣流量計結構

(2)光學式卡爾曼渦流式空氣流量計原理 卡門旋渦是指在流體中放置一個圓柱狀或三角狀物體時,在這一物體的下游就會產生兩列旋轉方向相反并交替出現的旋渦。當滿足h/a=0.281時,兩列旋渦才是穩定的,見圖2-33。

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圖2-35 超聲波式卡爾曼渦流式空氣流量計原理

3. 卡爾曼渦流式空氣流量計電路

為了對進氣溫度進行適時檢測,卡爾曼渦流式空氣流量傳感器內裝有進氣溫度傳感器。

圖解

ECU根據進氣溫度信號THA,對隨氣溫變化的空氣密度進行修正。因此,卡爾曼渦流式空氣流量傳感器接線端子上有進氣溫度信號THA端子和進氣溫度傳感器接地端子E1,見圖2-36。

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圖2-36 卡爾曼渦流式空氣流量計電路

為保證卡爾曼渦流式空氣流量傳感器內電路正常工作,通過ECU給傳感器輸入工作電壓,其信號端子為VC,傳感器接地端子為E2??柭鼫u流式空氣流量傳感器輸出信號端子上常以“KS”符號來表示。

(汽車維修技朮網 www.haiyuanhg.cn 原創 )

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