2.2 空氣流量傳感器

發動機電控單元（ECU）需要從各種傳感器處獲得信息，來精確控制燃油噴射。基本噴油量是主要的控制變量，發動機負荷和轉速用于控制基本噴油量。在各種工況下還需進一步地修正噴油量，具體參見第3單元內容。發動機傳感器中能感知負荷的傳感器有空氣流量傳感器、進氣歧管絕對壓力傳感器和節氣門位置傳感器。

2.2.1 空氣流量傳感器的類型

空氣流量傳感器俗稱空氣流量計，它安裝在空氣濾清器和節氣門體之間的進氣通道上（圖2-4），這樣吸入氣缸的空氣完全通過傳感器。空氣流量傳感器的常見類型如圖2-5所示。

空氣流量傳感器輸出的信號有模擬信號型和數字信號型。有些空氣流量傳感器，如安裝在福特和豐田汽車上的，輸出直流模擬信號，信號電壓范圍從0V到5V。而有些空氣流量傳感器輸出直流數字信號，信號頻率隨進氣量的變化而改變。通用公司老款空氣流量傳感器信號頻率范圍在0Hz到300Hz之間，而新款空氣流量傳感器信號頻率在1000Hz到9000Hz之間。

2.2.2 葉片式空氣流量傳感器

在進氣口汽油噴射發動機中，用葉片式空氣流量傳感器[也稱為葉片式空氣流量計（VAF）]檢測空氣流量，依此進行噴油量計算。

葉片式空氣流量傳感器內部由測量葉片、補償葉片、阻尼室、復位彈簧等組成，見圖2-6a。測量葉片繞轉軸擺動的程度反映出吸入空氣的流速。隨著葉片的擺動，帶動指針在電位計上滑動，這樣電位計輸出的信號電壓就會發生變化。如果電位計的供電電壓是5V，那么電位計輸出0V的信號電壓即代表沒有吸入空氣，電位計輸出接近5V的信號電壓即代表吸入空氣體積最大。ECU依據接收的反映空氣體積大小的電位計輸出信號，成比例地改變噴油脈寬。

葉片一開一關，引起進氣歧管內壓力脈沖，造成葉片脈動，因此用阻尼室和補償葉片彌補這一缺陷。在很多葉片式空氣流量傳感器內還裝有電動燃油泵的開關，這是為了確保發動機靜止時燃油泵不工作（圖2-6b）。

2.2.3 熱線式空氣流量傳感器

1.熱線式空氣流量傳感器的類型

根據鉑金熱線在殼體內安裝位置的不同，熱線式空氣流量傳感器可分為主流測量方式和旁通測量方式兩種結構形式，如圖2-7所示。通常大排量的發動機采用前者，小排量的發動機則采用后者。

2.熱線式空氣流量傳感器的組成

熱線式空氣流量傳感器的基本構成是感知空氣流量的鉑金熱線電阻，屬于正溫度系數電阻。在鉑金熱線的旁邊則有溫度補償電阻（冷線），屬于負溫度系數的熱敏電阻，負責檢測進氣溫度并對加熱電流進行調整。另外，還有控制熱線電流并產生輸出信號的控制電路板，以及空氣流量傳感器的殼體，見圖2-8。

3.熱線式空氣流量傳感器基本工作原理

對于主流測量方式來講，有一取樣管置于主空氣通道中央，直徑70μm的鉑金熱線布置在取樣管支撐環內，其電阻值隨溫度而變化，是惠斯通電橋電路的一個臂RH（圖2-9），熱線支撐環前端為溫度補償電阻，是惠斯通電橋電路的另一個臂RK。熱線支撐環后端的塑料護套上黏結著一只精密電阻，并設計成能用激光修整，也是惠斯通電橋的一個臂RB，該電阻上的電壓即熱線式空氣流量傳感器的輸出信號電壓。惠斯通電橋還有一個臂RA的電阻器裝在控制線路板上面，該電阻在最后調試實驗中用激光修整，以便在預定的空氣流量下調定空氣流量的輸出特性。

它的工作基本原理是將熱線溫度與吸入的空氣溫度差保持在恒定，見圖2-9a。空氣質量等于體積乘以密度，冷空氣密度比熱空氣密度大，發動機處于不同的工況時，流經熱線的空氣質量有多有少。當空氣流量增大時，由于空氣帶走的熱量增多，熱線本身變冷，RH的電阻會降低，改變了電橋的電壓平衡，即VA與VB的電位發生變化，于是會有電流在電橋中流動，此時信號經過放大器后，送到控制系統。為使熱線溫度與吸入的空氣溫度差保持在恒定，混合集成控制電路使熱線RH通過的電流增大，反之，則減小。這樣，就使得通過熱線RH的電流是空氣質量流量的單一函數，電流與進氣質量流量成正比，所以熱線式空氣流量傳感器也稱為質量式空氣流量傳感器。

如此，便可保證空氣流量與加熱電流之間的線性關系：即利用加熱電流來測出進入發動機的空氣流量。而該加熱電流經由精密電阻RB換算為電壓信號，便可以輸入給ECU作為判斷計算的依據。低電壓表示低的空氣流量，電壓升高表示空氣流量增加。電路變化完成時，熱線電阻RH的溫度又上升，從而電阻相應增大，直至A點與B點的電位相等。

以上推導過程均要求環境溫度固定，在相同的空氣質量流量下，環境溫度改變會導致傳感器的輸出信號改變，引起測量誤差，因而必須對由于環境溫度變化而引起空氣流量傳感器輸出信號變化的情況進行修正，即溫度補償。對于恒溫情況，在電橋中與熱線相對的橋臂上加入正溫度系數的熱電阻RK，當空氣溫度變化時RK/RH仍與RA/RB相等，從而電橋仍保持平衡。

空氣質量每秒檢測1000次，如果熱線斷開，ECU將啟用應急備用功能。

4.熱線式空氣流量傳感器的自清潔作用

空氣流量傳感器使用過程中，可能受到臟的機油、硅有機樹脂、蜘蛛網、電器密封膠等的污染，在怠速時空氣流量傳感器就會過高估計所通過的空氣量，造成混合氣過濃；在高速時就會低估所通過的空氣流量，造成混合氣過稀。這樣發動機在怠速閉環控制中，可燃混合氣將被向稀的趨勢調整；發動機在高速時，可燃混合氣將被向濃的方向調整。另外，臟的空氣流量傳感器也會引起過高的NO_x排放。

熱線式空氣流量傳感器都有自清潔功能，即：發動機轉速超過1500r/min，關閉點火開關使發動機熄火后，控制系統自動將熱線加熱到1000℃以上并保持約1s，使粘附在熱線上的粉塵燒掉。

5.熱線式空氣流量傳感器信號特征

由前面的工作原理分析可知，流經的空氣越多，熱線式空氣流量傳感器的信號電壓越高，見圖2-8b。表2-1中列出了熱線式空氣流量傳感器的模擬信號電壓與空氣流量的對比。正常情況下流經的空氣流量為3～7g/s。

6.熱線式空氣流量傳感器的常規檢測方法

以豐田車系的5線熱線式空氣流量傳感器為例，其電路見圖2-10，檢測方法見表2-2。

通用公司及德國博世公司的熱線式空氣流量傳感器的工作原理與前面講過的基本一致，見圖2-11，它只是將輸出信號轉換為頻率方波信號，并且頻率變化趨勢也是隨著進氣量的增加而變大。熱線式空氣流量傳感器的信號頻率范圍為32～150Hz，怠速時的平均頻率32Hz，節氣門全開時的頻率為150Hz，若有差別，可參見原廠維修手冊。輸出頻率信號的空氣流量傳感器應采用示波器或能檢測頻率的數字萬用表進行檢測。

另外，有些熱線式空氣流量傳感器內的加熱電阻在電路上是與惠斯通電橋分開而單獨設置的，這樣的熱線式空氣流量傳感器具有5條接線，見圖2-12。檢測該種傳感器時，多了一項測試加熱電阻的內容。

7.熱線式空氣流量傳感器信號波形檢測方法

（1）測試過程

關閉所有附屬電氣設備、起動發動機，并使發動機怠速運轉，當怠速轉速穩定后，檢查怠速時的輸出信號電壓。將發動機轉速從怠速加至節氣門全開（加速過程中節氣門應以慢中速打開），節氣門全開后持續2s，但不要使發動機超速運轉；再將發動機降至怠速運轉，并保持2s；再從怠速工況急加速發動機至節氣門全開，然后再關小節氣門使發動機回至怠速。定住波形，仔細觀察空氣流量傳感器波形，見圖2-13～圖2-15。

（2）波形的含義及相關說明

1）從維修資料中找出輸出信號電壓參考值進行比較，通常熱線（熱膜）式空氣流量傳感器輸出信號電壓范圍是怠速時超過0.2V，到節氣門全開時超過4V，當急減速時輸出信號電壓應比怠速時的電壓稍低。

2）發動機運轉時，波形的幅值看上去在不斷地波動，這是正常的，因為熱線式空氣流量傳感器沒有任何運動部件，因此沒有慣性，所以它能快速地對空氣流量的變化做出反應。在加速時波形所看到的雜波實際是在低進氣真空度之下各缸進氣口上的空氣氣流脈動，發動機ECU中的處理電路讀入后會清除這些信號，所以這些脈沖沒有關系。

3）不同的車型輸出電壓會有很大的差異，在怠速時信號電壓是否為0.25V也是判斷空氣流量傳感器好壞的辦法。另外，從可燃混合氣是否正常或發動機是否冒黑煙，也可以判斷空氣流量傳感器的好壞。

4）如果信號波形與上述情況不符，或空氣流量傳感器在怠速時輸出信號電壓太高，而節氣門全開時輸出信號電壓又達不到4V，則說明空氣流量傳感器已經損壞。

5）如果在車輛急加速時空氣流量傳感器輸出信號電壓波形上升緩慢，而在車輛急減速時空氣流量傳感器輸出信號電壓波形下降緩慢，則說明空氣流量傳感器的熱線臟污。

出現這些情況，均應清潔或更換熱線式空氣流量傳感器。

2.2.4 熱膜式空氣流量傳感器

隨著車輛氣體排放標準和法規的持續完善，始終需要具有更高測量精度的部件，通過空氣質量傳感器精確檢測發動機進氣至關重要。

1.熱膜式空氣流量傳感器的結構

熱膜式空氣流量傳感器的結構和工作原理與熱線式空氣流量傳感器基本相同，見圖2-16，主要部件組成如下：

①具有回流識別功能的微型機械式傳感器元件和進氣溫度傳感器。

②一個具有數字信號處理功能的傳感器電子單元。

③一個數字接口。

與舊式的空氣質量傳感器相比，新一代空氣質量傳感器具有以下優勢：

①發熱體由熱線改為熱膜。熱膜是由發熱金屬鉑固定在薄的樹脂上構成的，不直接承受空氣流動所產生的作用力，增加了發熱體的強度，提高了工作可靠性，且無須加熱清潔電路，所以無功能下降情況。

②具有回流識別功能的微型機械式傳感器元件和進氣溫度傳感器集成在一起，有一個加熱電阻、兩個與溫度相關的電阻，以及一個進氣溫度傳感器。

③信號通過傳感器電子單元采集，經數字接口傳遞給發動機控制單元，進行準確、穩定地分析。與以往的型號不同，空氣質量傳感器將數字信號傳遞給發動機控制單元。數字信息相對于模擬線路連接來說，對干擾不敏感。

2.熱膜式空氣流量傳感器的工作方式

通過阻流邊的構造方式在空氣流量傳感器的傳感元件后產生負壓。在這個負壓的作用下，空氣分流被吸入旁路通道，以進行空氣質量測量。遲緩的污粒跟不上這種快速運動，通過分離孔被重新導入到進氣中，見圖2-17。這樣，測量結果不會因污粒而失真，傳感元件也不會因其而損壞。

3.熱膜式空氣流量傳感器的回流識別

傳感元件在中間通過加熱電阻被加熱到高于進氣溫度120℃，當：進氣溫度為30℃時，又被加熱電阻被加熱至120℃，測得溫度為（120+30）℃=150℃。

如圖2-16所示，回流的空氣碰到傳感元件，先流過與溫度相關的電阻R2，接下來流過加熱電阻，然后流過與溫度相關的電阻R1。由于與加熱電阻之間的間距，傳感器至邊緣的溫度逐漸降低。電子模塊通過R1和R2的溫度差識別出進氣空氣質量和流向。回流識別原理見表2-3。

4.熱膜式空氣流量傳感器的信號特征

空氣流量傳感器向發動機控制單元發送的是被測空氣質量的數字信號（頻率），見圖2-18。發動機控制單元通過信號周期長度來識別測得的空氣質量。在空氣質量傳感器失靈時，發動機控制單元會使用一個預設的值替代空氣流量傳感器信號。

2.2.5 卡門渦旋式空氣流量傳感器

大家都知道，當外架空中的電線被風吹時，就會發出“嗡、嗡……”的響聲，風速越高，聲音頻率越高，這是氣流流過電線后形成渦旋所致。液體、氣體等流體均會發生這種現象。在流體中放置一個柱狀物體（稱為渦旋發生器）后。在其下游流體中就會形成兩列平行狀渦旋。并且左右交替出現，因此，根據渦旋出現的頻率，就可測量出流體的流量。因為這種現象首先被科學家卡門發現，所以稱為卡門渦旋。

卡門渦旋是一種物理現象，渦旋的測量精度由空氣通道面積與渦旋發生器的尺寸決定，與檢測方法無關。渦旋式傳感器的輸出信號是與渦旋頻率對應的脈沖數字信號，其響應速度是幾種空氣流量傳感器中最快的一種，幾乎能同步反映空氣流速的變化，因此特別適用于數字式計算機處理。除此之外，它還具有測量精度高、進氣阻力小、無磨損等優點，長期使用時，性能不會發生變化。其缺點是制造成本較高，因此目前只有少數中高檔轎車采用。因為檢測的是空氣體積的流量，所以需要對空氣溫度和大氣壓進行修正。根據渦旋頻率的檢測方式不同，汽車用渦旋式流量傳感器分為光學檢測式、超聲波檢測式等。

2.2.5.1 光學式卡門渦旋傳感器

（1）光學式卡門渦旋傳感器的結構

它包括渦旋發生器、光耦合器（發光二極管和光電晶體管）組件、反光鏡。

（2）光學式卡門渦旋傳感器的工作原理

如圖2-19所示，當空氣流經進氣道時，會在渦旋發生器的后部產生有規律的卡門渦旋，從而導致渦旋發生器周圍的空氣壓力發生變化，變化的壓力經導壓孔引向金屬膜制成的反光鏡使反光鏡產生振動，其振動頻率與渦旋發生的頻率相等，而渦旋發生頻率與空氣流速（發動機負荷）成正比；反光鏡再將發光二極管投射的光反射給光電晶體管，通過光電晶體管檢測渦旋發生的頻率，并向ECU輸送0V或5V交替變化的方波信號，ECU則根據此信號確定發動機的進氣量。

早期的豐田凌志LS400型轎車和皇冠3.0型轎車采用了光學式卡門渦旋傳感器，由于光學式卡門渦旋傳感器容易臟污，現今已很少采用了。

（3）光學式卡門渦旋傳感器的信號特征

5V方波信號的頻率變化與進氣量成正比，進氣量大則信號頻率高。反之，進氣量小則信號頻率低。

（4）光學式卡門渦旋傳感器的檢測方法

如圖2-20所示，光學式卡門渦旋傳感器產生5V方波信號Ks，信號頻率隨進氣量的增加而成正比變化。由于光學式卡門渦旋傳感器的信號頻率變化快，要精確地觀察該信號，需要使用示波器或帶有頻率測試功能的數字萬用表。

2.2.5.2 超聲波卡門渦旋傳感器

日本三菱公司率先采用超聲波卡門渦旋傳感器，并安裝在多款車上。中國長風獵豹吉普車和韓國現代轎車也采用了超聲波卡門渦旋傳感器。所謂超聲波，是指頻率高于20kHz，人耳聽不到的機械波。它的方向性好，穿透力強，遇到雜質或物體分界面會產生顯著的反射。利用這些物理性質，可把一些非電量轉換成聲學參數，再通過壓電元件轉換成電量。

1.超聲波卡門渦旋傳感器的結構與工作原理

如圖2-21所示，在渦旋發生器上游側壁上裝有一個超聲波發生器，它可以發射固定頻率的超聲波；而在發射器的對面則裝有超聲波接收器。

超聲波式卡門渦旋空氣流量傳感器的工作原理如下：在卡門渦旋發生器下游管路兩側相對安裝超聲波發射器和接收器。在沒有卡門渦旋的情況下，接收到的超聲波為穩定的信號。有卡門渦旋發生時，超聲波在氣流中的傳播受到卡門渦旋信號的影響，接收到的超聲波變成一個個與渦旋數對應的脈沖信號，其頻率等于卡門渦旋出現的頻率，反映了氣流速度。此脈沖信號經轉換模塊轉換成矩形脈沖數字信號，計算機對這個矩形脈沖計數，便可測得空氣流量，見圖2-22。

2.超聲波卡門渦旋傳感器的檢測方法

可以看出無論光學檢測式還是超聲波檢測式的卡門渦旋空氣流量傳感器輸出的信號都是方波信號，其信號頻率隨進氣量的增加而增加，直觀檢測方法就是用示波器或能檢測頻率的數字萬用表進行檢測。

以三菱公司傳感器為例，其電路如圖2-23所示。

（1）檢測傳感器輸出頻率

當接通點火開關但不起動發動機時，傳感器輸出頻率應為0；發動機怠速（700r/min）運轉時，傳感器輸出頻率應在25～50Hz范圍內；當發動機轉速升高時，傳感器輸出頻率應隨轉速升高而升高；當轉速升高到2000r/min時，傳感器輸出頻率應在70～90Hz范圍內，否則說明傳感器或其線路有故障。

（2）檢測傳感器線束

在超聲波卡門渦旋式傳感器的故障中，線束故障占很大比例。檢查線束故障時，先應拔開傳感器線束插接器，然后接通點火開關，用萬用表測量線束插頭電源端子2與搭鐵端子4之間的電壓，其值應等于系統電壓（12V），否則需要修理線束或檢查燃油噴射主繼電器；再用萬用表檢測線束插頭輸出端子1與搭鐵端子4之間的電壓，其值應為5V，否則需要修理線束。檢測搭鐵端子4搭鐵是否可靠時，可用萬用表電阻檔檢測端子4與發動機缸體之間的電阻值，其值應為0，否則說明搭鐵不良，需要修理。

2.2.6 空氣流量傳感器的故障診斷

因空氣流量傳感器的原因，會造成車輛出現加速無力、冒黑煙、無法跑到最高車速、沒有怠速等現象。

第二代隨車診斷系統（OBDⅡ系統）設置空氣流量傳感器故障碼的條件，見表2-4。

1.空氣流量傳感器電路故障

當空氣流量（MAF）傳感器電路開路或短路時，MAF傳感器信號持續過高或過低，信號超出正常范圍。

與MAF傳感器電路密切相關的故障碼包括：

1）P0100：空氣質量或體積流量電路故障（低/不足空氣流量、高/過多空氣流量）。

2）P0102：空氣質量或體積流量電路頻率低。

3）P0103：空氣質量或體積流量電路頻率高。

引起的故障現象如下：

1）故障指示燈（MIL）點亮。

2）發動機運轉粗暴。

3）排氣管冒黑煙。

4）失速。

5）發動機難起動或起動后熄火。

6）也可能有其他駕駛癥狀，甚至沒有癥狀。

引起故障的原因如下：

1）空氣流量傳感器臟污或污染。

2）空氣流量傳感器故障。

3）進氣泄漏。

4）空氣流量傳感器的線束或接線有問題（開路、短路、磨損、連接不良等）。

OBDⅡ系統置出P0100故障碼。診斷該故障碼，發動機只需運行一個驅動循環即可檢測出該故障碼。出現該故障碼時，ECU進入失效保護模式，以固定的點火正時和噴油脈寬運轉。

2.空氣流量傳感器信號與其他傳感器信號相矛盾

ECU根據實際檢測到的空氣流量（MAF）傳感器信號值算出進氣率，再與進氣歧管壓力（MAP）、發動機轉速（RPM）、節氣門位置（TP）和進氣溫度（IAT）信號進行對比，最終判斷出MAF傳感器信號不可信，則OBD系統設置P0101故障碼。診斷該故障碼，發動機需運行兩個驅動循環。

與空氣流量（MAF）傳感器性能密切相關的故障碼包括：

● P0101空氣流量傳感器性能。

● P1101進氣系統性能。

空氣流量（MAF）傳感器故障診斷方法見表2-4。

進氣軟管真空泄漏會造成額外的空氣進入發動機，繞過空氣流量（MAF）傳感器的檢測，ECU不會發出提供足夠燃油的指令，發動機怠速時漏入的空氣多，混合氣變稀，怠速不穩甚至熄火；發動機高轉速時漏入的空氣少，受到的影響小。

如果在怠速時燃油修正是負值（減油），而在發動機高轉速時燃油修正是正值，則可能是空氣流量傳感器臟污了。還有其他方法可進一步判斷：

1）節氣門全開時（WOT），讀取空氣流量傳感器數據流，正常情況應超過100g/s。

2）節氣門全開時，讀取空氣流量傳感器模擬信號電壓，正常情況應超過4V。

3）節氣門全開時，讀取空氣流量傳感器數字信號頻率，正常情況應超過7kHz。

如果讀數沒有超過這些值，則更加證實空氣流量傳感器臟污。

3.與空氣流量傳感器相關的數據流

MAF：× × ×. × × g/s（× × × ×. × lb/min）。顯示流經空氣流量傳感器的空氣流量，最小為0g/s，最大為655.35g/s。