2.2 空气流量传感器

发动机电控单元（ECU）需要从各种传感器处获得信息，来精确控制燃油喷射。基本喷油量是主要的控制变量，发动机负荷和转速用于控制基本喷油量。在各种工况下还需进一步地修正喷油量，具体参见第3单元内容。发动机传感器中能感知负荷的传感器有空气流量传感器、进气歧管绝对压力传感器和节气门位置传感器。

2.2.1 空气流量传感器的类型

空气流量传感器俗称空气流量计，它安装在空气滤清器和节气门体之间的进气通道上（图2-4），这样吸入气缸的空气完全通过传感器。空气流量传感器的常见类型如图2-5所示。

空气流量传感器输出的信号有模拟信号型和数字信号型。有些空气流量传感器，如安装在福特和丰田汽车上的，输出直流模拟信号，信号电压范围从0V到5V。而有些空气流量传感器输出直流数字信号，信号频率随进气量的变化而改变。通用公司老款空气流量传感器信号频率范围在0Hz到300Hz之间，而新款空气流量传感器信号频率在1000Hz到9000Hz之间。

2.2.2 叶片式空气流量传感器

在进气口汽油喷射发动机中，用叶片式空气流量传感器[也称为叶片式空气流量计（VAF）]检测空气流量，依此进行喷油量计算。

叶片式空气流量传感器内部由测量叶片、补偿叶片、阻尼室、复位弹簧等组成，见图2-6a。测量叶片绕转轴摆动的程度反映出吸入空气的流速。随着叶片的摆动，带动指针在电位计上滑动，这样电位计输出的信号电压就会发生变化。如果电位计的供电电压是5V，那么电位计输出0V的信号电压即代表没有吸入空气，电位计输出接近5V的信号电压即代表吸入空气体积最大。ECU依据接收的反映空气体积大小的电位计输出信号，成比例地改变喷油脉宽。

叶片一开一关，引起进气歧管内压力脉冲，造成叶片脉动，因此用阻尼室和补偿叶片弥补这一缺陷。在很多叶片式空气流量传感器内还装有电动燃油泵的开关，这是为了确保发动机静止时燃油泵不工作（图2-6b）。

2.2.3 热线式空气流量传感器

1.热线式空气流量传感器的类型

根据铂金热线在壳体内安装位置的不同，热线式空气流量传感器可分为主流测量方式和旁通测量方式两种结构形式，如图2-7所示。通常大排量的发动机采用前者，小排量的发动机则采用后者。

2.热线式空气流量传感器的组成

热线式空气流量传感器的基本构成是感知空气流量的铂金热线电阻，属于正温度系数电阻。在铂金热线的旁边则有温度补偿电阻（冷线），属于负温度系数的热敏电阻，负责检测进气温度并对加热电流进行调整。另外，还有控制热线电流并产生输出信号的控制电路板，以及空气流量传感器的壳体，见图2-8。

3.热线式空气流量传感器基本工作原理

对于主流测量方式来讲，有一取样管置于主空气通道中央，直径70μm的铂金热线布置在取样管支撑环内，其电阻值随温度而变化，是惠斯通电桥电路的一个臂RH（图2-9），热线支撑环前端为温度补偿电阻，是惠斯通电桥电路的另一个臂RK。热线支撑环后端的塑料护套上黏结着一只精密电阻，并设计成能用激光修整，也是惠斯通电桥的一个臂RB，该电阻上的电压即热线式空气流量传感器的输出信号电压。惠斯通电桥还有一个臂RA的电阻器装在控制线路板上面，该电阻在最后调试实验中用激光修整，以便在预定的空气流量下调定空气流量的输出特性。

它的工作基本原理是将热线温度与吸入的空气温度差保持在恒定，见图2-9a。空气质量等于体积乘以密度，冷空气密度比热空气密度大，发动机处于不同的工况时，流经热线的空气质量有多有少。当空气流量增大时，由于空气带走的热量增多，热线本身变冷，RH的电阻会降低，改变了电桥的电压平衡，即VA与VB的电位发生变化，于是会有电流在电桥中流动，此时信号经过放大器后，送到控制系统。为使热线温度与吸入的空气温度差保持在恒定，混合集成控制电路使热线RH通过的电流增大，反之，则减小。这样，就使得通过热线RH的电流是空气质量流量的单一函数，电流与进气质量流量成正比，所以热线式空气流量传感器也称为质量式空气流量传感器。

如此，便可保证空气流量与加热电流之间的线性关系：即利用加热电流来测出进入发动机的空气流量。而该加热电流经由精密电阻RB换算为电压信号，便可以输入给ECU作为判断计算的依据。低电压表示低的空气流量，电压升高表示空气流量增加。电路变化完成时，热线电阻RH的温度又上升，从而电阻相应增大，直至A点与B点的电位相等。

以上推导过程均要求环境温度固定，在相同的空气质量流量下，环境温度改变会导致传感器的输出信号改变，引起测量误差，因而必须对由于环境温度变化而引起空气流量传感器输出信号变化的情况进行修正，即温度补偿。对于恒温情况，在电桥中与热线相对的桥臂上加入正温度系数的热电阻RK，当空气温度变化时RK/RH仍与RA/RB相等，从而电桥仍保持平衡。

空气质量每秒检测1000次，如果热线断开，ECU将启用应急备用功能。

4.热线式空气流量传感器的自清洁作用

空气流量传感器使用过程中，可能受到脏的机油、硅有机树脂、蜘蛛网、电器密封胶等的污染，在怠速时空气流量传感器就会过高估计所通过的空气量，造成混合气过浓；在高速时就会低估所通过的空气流量，造成混合气过稀。这样发动机在怠速闭环控制中，可燃混合气将被向稀的趋势调整；发动机在高速时，可燃混合气将被向浓的方向调整。另外，脏的空气流量传感器也会引起过高的NO_x排放。

热线式空气流量传感器都有自清洁功能，即：发动机转速超过1500r/min，关闭点火开关使发动机熄火后，控制系统自动将热线加热到1000℃以上并保持约1s，使粘附在热线上的粉尘烧掉。

5.热线式空气流量传感器信号特征

由前面的工作原理分析可知，流经的空气越多，热线式空气流量传感器的信号电压越高，见图2-8b。表2-1中列出了热线式空气流量传感器的模拟信号电压与空气流量的对比。正常情况下流经的空气流量为3～7g/s。

6.热线式空气流量传感器的常规检测方法

以丰田车系的5线热线式空气流量传感器为例，其电路见图2-10，检测方法见表2-2。

通用公司及德国博世公司的热线式空气流量传感器的工作原理与前面讲过的基本一致，见图2-11，它只是将输出信号转换为频率方波信号，并且频率变化趋势也是随着进气量的增加而变大。热线式空气流量传感器的信号频率范围为32～150Hz，怠速时的平均频率32Hz，节气门全开时的频率为150Hz，若有差别，可参见原厂维修手册。输出频率信号的空气流量传感器应采用示波器或能检测频率的数字万用表进行检测。

另外，有些热线式空气流量传感器内的加热电阻在电路上是与惠斯通电桥分开而单独设置的，这样的热线式空气流量传感器具有5条接线，见图2-12。检测该种传感器时，多了一项测试加热电阻的内容。

7.热线式空气流量传感器信号波形检测方法

（1）测试过程

关闭所有附属电气设备、起动发动机，并使发动机怠速运转，当怠速转速稳定后，检查怠速时的输出信号电压。将发动机转速从怠速加至节气门全开（加速过程中节气门应以慢中速打开），节气门全开后持续2s，但不要使发动机超速运转；再将发动机降至怠速运转，并保持2s；再从怠速工况急加速发动机至节气门全开，然后再关小节气门使发动机回至怠速。定住波形，仔细观察空气流量传感器波形，见图2-13～图2-15。

（2）波形的含义及相关说明

1）从维修资料中找出输出信号电压参考值进行比较，通常热线（热膜）式空气流量传感器输出信号电压范围是怠速时超过0.2V，到节气门全开时超过4V，当急减速时输出信号电压应比怠速时的电压稍低。

2）发动机运转时，波形的幅值看上去在不断地波动，这是正常的，因为热线式空气流量传感器没有任何运动部件，因此没有惯性，所以它能快速地对空气流量的变化做出反应。在加速时波形所看到的杂波实际是在低进气真空度之下各缸进气口上的空气气流脉动，发动机ECU中的处理电路读入后会清除这些信号，所以这些脉冲没有关系。

3）不同的车型输出电压会有很大的差异，在怠速时信号电压是否为0.25V也是判断空气流量传感器好坏的办法。另外，从可燃混合气是否正常或发动机是否冒黑烟，也可以判断空气流量传感器的好坏。

4）如果信号波形与上述情况不符，或空气流量传感器在怠速时输出信号电压太高，而节气门全开时输出信号电压又达不到4V，则说明空气流量传感器已经损坏。

5）如果在车辆急加速时空气流量传感器输出信号电压波形上升缓慢，而在车辆急减速时空气流量传感器输出信号电压波形下降缓慢，则说明空气流量传感器的热线脏污。

出现这些情况，均应清洁或更换热线式空气流量传感器。

2.2.4 热膜式空气流量传感器

随着车辆气体排放标准和法规的持续完善，始终需要具有更高测量精度的部件，通过空气质量传感器精确检测发动机进气至关重要。

1.热膜式空气流量传感器的结构

热膜式空气流量传感器的结构和工作原理与热线式空气流量传感器基本相同，见图2-16，主要部件组成如下：

①具有回流识别功能的微型机械式传感器元件和进气温度传感器。

②一个具有数字信号处理功能的传感器电子单元。

③一个数字接口。

与旧式的空气质量传感器相比，新一代空气质量传感器具有以下优势：

①发热体由热线改为热膜。热膜是由发热金属铂固定在薄的树脂上构成的，不直接承受空气流动所产生的作用力，增加了发热体的强度，提高了工作可靠性，且无须加热清洁电路，所以无功能下降情况。

②具有回流识别功能的微型机械式传感器元件和进气温度传感器集成在一起，有一个加热电阻、两个与温度相关的电阻，以及一个进气温度传感器。

③信号通过传感器电子单元采集，经数字接口传递给发动机控制单元，进行准确、稳定地分析。与以往的型号不同，空气质量传感器将数字信号传递给发动机控制单元。数字信息相对于模拟线路连接来说，对干扰不敏感。

2.热膜式空气流量传感器的工作方式

通过阻流边的构造方式在空气流量传感器的传感元件后产生负压。在这个负压的作用下，空气分流被吸入旁路通道，以进行空气质量测量。迟缓的污粒跟不上这种快速运动，通过分离孔被重新导入到进气中，见图2-17。这样，测量结果不会因污粒而失真，传感元件也不会因其而损坏。

3.热膜式空气流量传感器的回流识别

传感元件在中间通过加热电阻被加热到高于进气温度120℃，当：进气温度为30℃时，又被加热电阻被加热至120℃，测得温度为（120+30）℃=150℃。

如图2-16所示，回流的空气碰到传感元件，先流过与温度相关的电阻R2，接下来流过加热电阻，然后流过与温度相关的电阻R1。由于与加热电阻之间的间距，传感器至边缘的温度逐渐降低。电子模块通过R1和R2的温度差识别出进气空气质量和流向。回流识别原理见表2-3。

4.热膜式空气流量传感器的信号特征

空气流量传感器向发动机控制单元发送的是被测空气质量的数字信号（频率），见图2-18。发动机控制单元通过信号周期长度来识别测得的空气质量。在空气质量传感器失灵时，发动机控制单元会使用一个预设的值替代空气流量传感器信号。

2.2.5 卡门涡旋式空气流量传感器

大家都知道，当外架空中的电线被风吹时，就会发出“嗡、嗡……”的响声，风速越高，声音频率越高，这是气流流过电线后形成涡旋所致。液体、气体等流体均会发生这种现象。在流体中放置一个柱状物体（称为涡旋发生器）后。在其下游流体中就会形成两列平行状涡旋。并且左右交替出现，因此，根据涡旋出现的频率，就可测量出流体的流量。因为这种现象首先被科学家卡门发现，所以称为卡门涡旋。

卡门涡旋是一种物理现象，涡旋的测量精度由空气通道面积与涡旋发生器的尺寸决定，与检测方法无关。涡旋式传感器的输出信号是与涡旋频率对应的脉冲数字信号，其响应速度是几种空气流量传感器中最快的一种，几乎能同步反映空气流速的变化，因此特别适用于数字式计算机处理。除此之外，它还具有测量精度高、进气阻力小、无磨损等优点，长期使用时，性能不会发生变化。其缺点是制造成本较高，因此目前只有少数中高档轿车采用。因为检测的是空气体积的流量，所以需要对空气温度和大气压进行修正。根据涡旋频率的检测方式不同，汽车用涡旋式流量传感器分为光学检测式、超声波检测式等。

2.2.5.1 光学式卡门涡旋传感器

（1）光学式卡门涡旋传感器的结构

它包括涡旋发生器、光耦合器（发光二极管和光电晶体管）组件、反光镜。

（2）光学式卡门涡旋传感器的工作原理

如图2-19所示，当空气流经进气道时，会在涡旋发生器的后部产生有规律的卡门涡旋，从而导致涡旋发生器周围的空气压力发生变化，变化的压力经导压孔引向金属膜制成的反光镜使反光镜产生振动，其振动频率与涡旋发生的频率相等，而涡旋发生频率与空气流速（发动机负荷）成正比；反光镜再将发光二极管投射的光反射给光电晶体管，通过光电晶体管检测涡旋发生的频率，并向ECU输送0V或5V交替变化的方波信号，ECU则根据此信号确定发动机的进气量。

早期的丰田凌志LS400型轿车和皇冠3.0型轿车采用了光学式卡门涡旋传感器，由于光学式卡门涡旋传感器容易脏污，现今已很少采用了。

（3）光学式卡门涡旋传感器的信号特征

5V方波信号的频率变化与进气量成正比，进气量大则信号频率高。反之，进气量小则信号频率低。

（4）光学式卡门涡旋传感器的检测方法

如图2-20所示，光学式卡门涡旋传感器产生5V方波信号Ks，信号频率随进气量的增加而成正比变化。由于光学式卡门涡旋传感器的信号频率变化快，要精确地观察该信号，需要使用示波器或带有频率测试功能的数字万用表。

2.2.5.2 超声波卡门涡旋传感器

日本三菱公司率先采用超声波卡门涡旋传感器，并安装在多款车上。中国长风猎豹吉普车和韩国现代轿车也采用了超声波卡门涡旋传感器。所谓超声波，是指频率高于20kHz，人耳听不到的机械波。它的方向性好，穿透力强，遇到杂质或物体分界面会产生显著的反射。利用这些物理性质，可把一些非电量转换成声学参数，再通过压电元件转换成电量。

1.超声波卡门涡旋传感器的结构与工作原理

如图2-21所示，在涡旋发生器上游侧壁上装有一个超声波发生器，它可以发射固定频率的超声波；而在发射器的对面则装有超声波接收器。

超声波式卡门涡旋空气流量传感器的工作原理如下：在卡门涡旋发生器下游管路两侧相对安装超声波发射器和接收器。在没有卡门涡旋的情况下，接收到的超声波为稳定的信号。有卡门涡旋发生时，超声波在气流中的传播受到卡门涡旋信号的影响，接收到的超声波变成一个个与涡旋数对应的脉冲信号，其频率等于卡门涡旋出现的频率，反映了气流速度。此脉冲信号经转换模块转换成矩形脉冲数字信号，计算机对这个矩形脉冲计数，便可测得空气流量，见图2-22。

2.超声波卡门涡旋传感器的检测方法

可以看出无论光学检测式还是超声波检测式的卡门涡旋空气流量传感器输出的信号都是方波信号，其信号频率随进气量的增加而增加，直观检测方法就是用示波器或能检测频率的数字万用表进行检测。

以三菱公司传感器为例，其电路如图2-23所示。

（1）检测传感器输出频率

当接通点火开关但不起动发动机时，传感器输出频率应为0；发动机怠速（700r/min）运转时，传感器输出频率应在25～50Hz范围内；当发动机转速升高时，传感器输出频率应随转速升高而升高；当转速升高到2000r/min时，传感器输出频率应在70～90Hz范围内，否则说明传感器或其线路有故障。

（2）检测传感器线束

在超声波卡门涡旋式传感器的故障中，线束故障占很大比例。检查线束故障时，先应拔开传感器线束插接器，然后接通点火开关，用万用表测量线束插头电源端子2与搭铁端子4之间的电压，其值应等于系统电压（12V），否则需要修理线束或检查燃油喷射主继电器；再用万用表检测线束插头输出端子1与搭铁端子4之间的电压，其值应为5V，否则需要修理线束。检测搭铁端子4搭铁是否可靠时，可用万用表电阻档检测端子4与发动机缸体之间的电阻值，其值应为0，否则说明搭铁不良，需要修理。

2.2.6 空气流量传感器的故障诊断

因空气流量传感器的原因，会造成车辆出现加速无力、冒黑烟、无法跑到最高车速、没有怠速等现象。

第二代随车诊断系统（OBDⅡ系统）设置空气流量传感器故障码的条件，见表2-4。

1.空气流量传感器电路故障

当空气流量（MAF）传感器电路开路或短路时，MAF传感器信号持续过高或过低，信号超出正常范围。

与MAF传感器电路密切相关的故障码包括：

1）P0100：空气质量或体积流量电路故障（低/不足空气流量、高/过多空气流量）。

2）P0102：空气质量或体积流量电路频率低。

3）P0103：空气质量或体积流量电路频率高。

引起的故障现象如下：

1）故障指示灯（MIL）点亮。

2）发动机运转粗暴。

3）排气管冒黑烟。

4）失速。

5）发动机难起动或起动后熄火。

6）也可能有其他驾驶症状，甚至没有症状。

引起故障的原因如下：

1）空气流量传感器脏污或污染。

2）空气流量传感器故障。

3）进气泄漏。

4）空气流量传感器的线束或接线有问题（开路、短路、磨损、连接不良等）。

OBDⅡ系统置出P0100故障码。诊断该故障码，发动机只需运行一个驱动循环即可检测出该故障码。出现该故障码时，ECU进入失效保护模式，以固定的点火正时和喷油脉宽运转。

2.空气流量传感器信号与其他传感器信号相矛盾

ECU根据实际检测到的空气流量（MAF）传感器信号值算出进气率，再与进气歧管压力（MAP）、发动机转速（RPM）、节气门位置（TP）和进气温度（IAT）信号进行对比，最终判断出MAF传感器信号不可信，则OBD系统设置P0101故障码。诊断该故障码，发动机需运行两个驱动循环。

与空气流量（MAF）传感器性能密切相关的故障码包括：

● P0101空气流量传感器性能。

● P1101进气系统性能。

空气流量（MAF）传感器故障诊断方法见表2-4。

进气软管真空泄漏会造成额外的空气进入发动机，绕过空气流量（MAF）传感器的检测，ECU不会发出提供足够燃油的指令，发动机怠速时漏入的空气多，混合气变稀，怠速不稳甚至熄火；发动机高转速时漏入的空气少，受到的影响小。

如果在怠速时燃油修正是负值（减油），而在发动机高转速时燃油修正是正值，则可能是空气流量传感器脏污了。还有其他方法可进一步判断：

1）节气门全开时（WOT），读取空气流量传感器数据流，正常情况应超过100g/s。

2）节气门全开时，读取空气流量传感器模拟信号电压，正常情况应超过4V。

3）节气门全开时，读取空气流量传感器数字信号频率，正常情况应超过7kHz。

如果读数没有超过这些值，则更加证实空气流量传感器脏污。

3.与空气流量传感器相关的数据流

MAF：× × ×. × × g/s（× × × ×. × lb/min）。显示流经空气流量传感器的空气流量，最小为0g/s，最大为655.35g/s。