汽车发动机电控技术：空气流量传感器检测方法及用途

一、任务分析

空气流量传感器是用来测量进入发动机的进气量的装置。本任务主要学习叶片式、卡门旋涡式、热式空气流量传感器的结构、工作原理。通过任务的学习掌握空气流量传感器各端子的检测方法，判断空气流量传感器是否损坏。

二、相关知识

空气流量传感器(MAF)，其作用是测量发动机的进气量，并将进气量转换成电信号输送给ECU，此信号是决定喷油量的基本信号之一。空气流量传感器按结构原理的不同，可分为叶片式、卡门旋涡式、热线式及热膜式几种类型。空气流量传感器一般安装在空气滤清器和节气门之间。

(一)叶片式空气流量传感器

1. 叶片式空气流量传感器的结构

叶片式空气流量传感器主要由测量叶片、缓冲叶片、阻尼室、复位弹簧、电位计以及旁通道等组成，此外还包括其上的怠速调整螺钉、燃油泵开关及进气温度传感器等，如图2-1所示。其中，测量叶片的结构如图2-2所示。日本丰田凌志、佳美、马自达等很多轿车仍采用叶片式空气流量传感器。

图2-1 叶片式空气流量传感器的构造

1—进气温度传感器;2—复位弹簧;3—阻尼室;4—电位计;5—接线插头;6—缓冲叶片;7—怠速调整螺钉;8—旁通道;9—测量叶片

图2-2 叶片式空气流量传感器测量叶片结构

1—进气温度传感器;2—阀门;3—缓冲室;4—缓冲叶片;5—测量叶片;6—空气主气道;7—旁通道

2. 叶片式空气流量传感器的工作原理

测量叶片和缓冲叶片两部分铸成一体。叶片转轴安装在空气流量传感器的壳体上，转轴一端有螺旋式回位弹簧。空气进入时，当回位弹簧的弹力与吸入空气气流对测量叶片的推力平衡时，测量叶片即处于稳定位置。测量叶片随空气流量的变化在空气主通道内偏转，同时，缓冲叶片在缓冲室内同步偏转。当发动机吸入空气量急剧变化和气流有脉动时，缓冲室对叶片起缓冲阻尼作用。可以减小叶片的脉动，使叶片旋转平稳，从而使叶片式空气流量传感器的输出电压稳定。

发动机工作时，测量叶片随着进气量的加大而偏转幅度加大，当回位弹簧的阻力与进气流对叶片的推力相等时，发动机就在相对稳定的工况下开始工作了。当节气门开度进一步加大时，测量叶片也随之进一步达到稳定的状态。同样，随着发动机的转速下降，节气门开度减小时，测量叶片也就逐渐关小。

发动机在怠速时的空燃比会因发动机、燃油喷射装置和系统的不同，出现一定的偏差，需要通过调整旁通道面积，使叶片式空气流量传感器的输出与ECU控制的目标值相一致。因此，在旁通道一侧设有可以改变旁通空气量的调整螺钉，以便调整叶片式空气流量传感器的输出特性。在修正怠速转速的同时也控制了怠速时的排放。叶片式空气流量传感器的进气量检测，主要靠测量叶片所在轴上的电位计来实现。其检测原理如图2-3所示。

图2-3 叶片式空气流量传感器电位计检测原理

1—可动指针;2—电位计可变电阻;3—测量叶片;4—空气旁通道

当测量叶片开度随着进气量的增加而增大时，电位计上的可动指针1也随之转动，从而引起电位计可变电阻2的阻值发生相对改变，从而引起电位计上的电压发生了相对改变。ECU就是通过获得这个变化的电压值来测得实际进入发动机气缸内的进气量的。其中，为了避免由于蓄电池电压的变化引起此处电压的改变，使ECU不能准确判断进气量的影响，实际上，ECU采用的是一个相对准确的电压比值，也就是US/UB。US是电位计中可变电阻滑动触点停止的位置到蓄电池负极的电压，UB是VB到蓄电池负极的电压。由于信号是采用的比值，蓄电池电压的高低就不会影响到ECU对进气量的监测准确性了。

(二)卡门旋涡式空气流量传感器

卡门旋涡式空气流量传感器直接用电子方法测量进气量，与叶片式空气流量传感器相比，具有体积小、质量轻、进气道简单、进气阻力小等优点。卡门旋涡式空气流量传感器在进气管道中央设置一个锥体状的涡流发生器，当空气流过时，在涡流发生器的后部将会不断产生称之为卡门旋涡的涡流串，若测出卡门涡流的频率便可感知进气量的大小。按照旋涡数的检测方式不同，卡门旋涡式空气流量传感器有超声波检测方式和反光镜检测方式两种。

1. 超声波检测法

采用超声波检测方式的卡门旋涡式空气流量传感器，主要由超声波信号发生器、超声波发射探头、涡流稳定板、涡流发生器、整流栅、超声波接收探头和转换电路等组成，如图2-4所示。发动机工作中，当空气流经涡流发生器时，在其后部的超声波发射探头与超声波接收探头之间产生有规律的卡门旋涡。超声波发射探头不断地接收超声波信号发生器输送来的超声波信号，并将其转换成机械波。超声波接收探头安装在发射探头正对面，它利用压电效应将接收到的机械波转换成电信号输送给转换电路。因卡门旋涡对空气密度的影响，就会使机械波从发射探头传到接收探头的时间产生相位差。转换电路对此相位信号进行处理，就可得到与涡流发生的频率成正比的脉冲信号，此信号即代表空气体积流量的电信号。

图2-4 卡门旋涡式空气流量传感器(超声波检测方式)

1—超声波信号发生器;2—超声波发射探头;3—涡流稳定板;4—涡流发生器;5—整流栅;6—旁通空气道;7—卡门涡流;8—超声波接收探头;9—转换电路

2. 反光镜检测法

采用反光镜检测方式的卡门旋涡式空气流量传感器，检测部分主要由涡流发生器、发光二极管、光敏二极管、反光镜等组成，如图2-5所示。

当空气流经涡流发生器时，会在涡流发生器的后部产生有规律的旋涡，从而导致涡流发生器两侧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，其振动频率与涡流发生的频率相等，而涡流发生频率与空气流速成正比;反光镜再将发光二极管投射的光反射给光敏二极管，光敏二极管受到光照射时导通，不受光照射时截止，光敏二极管的导通和截止频率与旋涡频率成正比。此信号输送给ECU， ECU则根据此信号确定发动机的进气量大小。

图2-5 卡门旋涡式空气流量传感器(反光镜检测方式)

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—涡流发生器;7—压力导向孔;8—光敏二极管;9—进气管路;10—支承板

(三)热式空气流量传感器

热式空气流量传感器有热线式和热膜式两种形式，直接检测发动机吸入空气的质量流量，检测原理完全相同。热线式空气流量传感器的检测元件是铂金属丝，热膜式空气流量传感器的检测元件是铂金属膜。铂金属检测元件的响应速度很快，能在几毫秒内反映出空气流量的变化，因此测量精度不受进气气流脉动的影响(气流脉动在发动机大负荷、低转速运转时最为明显)。此外还具有进气阻力小、无磨损部件等优点，目前大多数中高档轿车都采用这种传感器。

热线式与热膜式空气流量传感器主要由发热元件(热线或热膜)、温度补偿电阻(冷丝或冷膜)、信号取样电阻和控制电路等组成。

1. 热线式空气流量传感器

传感器壳体两端设置有与进气道相连接的圆形连接接头，空气入口和出口都设有防止传感器受到机械损伤的防护网。传感器入口与空气滤清器一端的进气管连接，出口与节气门体一端的进气管连接，如图2-6所示。

传感器内部套装有一个取样管，管中设有一根直径很小的铂金属丝作为发热元件，称为热线或热丝，并制作成П形张紧在取样管内。当发动机起动后，空气流经铂丝周围时带走铂丝热量，使其温度下降，此时与铂丝相连的桥式电路将改变电流，以保持铂丝温度恒定，即当空气流量变化时，流过铂丝的电流也随之发生变化。将这种变化的信号输入ECU，即可测得空气流量。

热线式空气流量传感器的基本原理如图2-7所示，在桥式电路的恒温差控制中，发热元件电阻RH和进气温度补偿电阻RT分别连接在四等电桥的两个臂上。当发热元件的温度高于进气温度时，电桥电压才能达到平衡。加热电流(50～120m A)由具有电流放大作用的控制电路A进行控制，其目的是使发热元件的温度与温度补偿电阻的温度之差保持恒定。当空气气流流经发热元件使其受到冷却时，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，使其温度高于温度补偿电阻。电流增量的大小，取决于发热元件受到的冷却的程度，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上的电压就会升高，从而将空气流量的变化转换成为电压信号US的变化。信号电压输入ECU后，ECU便可根据信号电压的高低计算出空气流量的大小。

图2-6 热线式空气流量传感器

1—传感器密封盖;2—印刷控制电路板;3—卡环;4—防护网;5—温度补偿电阻丝(冷丝);6—铂金属丝(热线);7—取样管;8—CO调整螺钉;9—防护塞;10—接线插座

图2-7 热线式空气流量传感器的基本原理

RT-温度补偿电阻;RH-发热元件电阻;RS-取样电阻;R1、R2-精密电阻;UCC-电源电压;US-信号电压;A-控制电路

热线式空气流量传感器的前后端均装有金属防护网，前面的用于进气整流，后面的用于防止发动机回火时把铂丝烧坏。防护网用卡箍固定在壳体上。空气流量传感器的铂丝和进气温度传感器都安装在主气道中的取样管内的空气流量传感器，称为主通式热线空气流量传感器;另一种空气流量传感器把铂丝绕在陶瓷芯管上，并置于旁通气道内，被称为旁通式热线空气流量传感器。热线式空气流量传感器在使用一段时间后，铂丝表面会受空气尘埃沾污，造成热辐射能力降低而影响传感器的测量精度，因此控制电路中设计有“自洁电路”，来实现自洁功能。当ECU接收到发动机熄火的信号时，ECU将控制自洁电路接通，将铂丝加热到1000℃左右，并持续1s时间，用以把黏附在铂丝上的尘埃烧掉。另一种防止铂丝沾污的方法是提高其保持温度，一般将保持温度设定在200℃以上，以便烧掉黏附的污物。

2. 热膜式空气流量传感器

热膜式空气流量传感器是热线式空气流量传感器的改进产品，其发热元件采用平面形铂金属膜电阻器，故称为热膜电阻，其结构如图2-8所示。热膜电阻是在氧化铝陶瓷基片上采用蒸发工艺淀积铂金属薄膜，制作成梳状图形的电阻，在其表面覆盖一层绝缘保护膜，再引出电极而成。

图2-8 热膜式空气流量传感器

1—接线插座;2—护套;3—铂金属膜;4—防护网

传感器内部的进气通道上设有一个矩形护套(相当于取样管)，热膜电阻设在护套内。为了防止污物沉积到热膜电阻上影响测量精度，在护套的空气入口侧设有空气过滤层，用于过滤空气中的污物。为了防止进气温度变化使测量精度受到影响，在热膜电阻附近的气流上游设有铂金属膜式温度补偿电阻，如图2-9所示。温度补偿电阻和热膜电阻与传感器内部控制电路连接，控制电路与线束连接器插座连接，线束插座设在传感器壳体中部。

热膜式空气流量传感器与热线式空气流量传感器相比，由于热膜电阻的电阻值较大，所以消耗电流较小，使用寿命较长。但其发热元件表面制作有一层绝缘保护膜，存在辐射热传导作用，因而响应特性略低于热线式空气流量传感器。

图2-9 热膜式空气流量传感器内部元件

1—控制回路;2—通往发动机;3—热膜;4—进气温度传感器;5—金属网

热线式和热膜式空气流量传感器的响应速度都很快，能在几毫秒时间内反映出空气流量的变化，其测量精度不会受到进气气流脉动(气流脉动在发动机大负荷、低转速转时最为明显)的影响，测量精度高。热线式和热膜式空气流量传感器测量的是质量流量，因而避免了因海拔不同而引起的误差。此外，它还具有进气阻力小、无磨损部件、使用寿命长等优点。

三、任务实施(www.xing528.com)

(一)教学设备

(1)丰田2TZ-FE发动机实验台、桑塔纳2000AJR发动机实验台、尼桑发动机实验台;凌志LS400轿车。

(2)万用表。

(3)叶片式空气流量传感器、卡门旋涡式空气流量传感器、热线式空气流量传感器、热膜式空气流量传感器等。

(二)空气流量传感器的检修

1. 外观检查

(1)观察空气流量传感器的连接线有无异常。

(2)检查防护网有无堵塞或破裂。

(3)检查传感器插头有无锈蚀或变形，如有应更换或维修传感器。

2. 用万用表检测

(1)叶片式空气流量传感器的检测。

叶片式空气流量传感器有5线与7线两种，5线叶片式空气流量传感器内没装油泵开关，7线叶片式空气流量传感器内装有油泵开关。7线叶片式空气流量传感器的典型电路如图2-10所示。检测叶片式空气流量传感器时，可以从车上拆下，也可以在汽车上进行。以丰田2TZ-FE发动机为例介绍空气流量传感器的检测。

图2-10 叶片式空气流量传感器的电路

1—油泵触点;2—电位计;3—限流电阻;4—进气温度传感器

各端子名称为:VC为控制单元提供的5V参考电压，E2为回馈打铁;VS为空气流量传感器信号线，THA为进气温度传感器信号，E1和FC为油泵开关的打铁和电源，VB为12V电源电压。

①测量E1和FC端子，这两个端子组成油泵开关，全关闭时断开，测量叶片微开时导通。

②叶片在任何位置时，VC与E2两端子电压为5V左右。

③VS与E2两端子之间的电压随着叶片位置而变化，在点火开关转到“ON”位置时，测量叶片全关闭时电压为3.7～4.3V，测量叶片全开时电压为0.2～0.5V，怠速时电压为2.3～2.8V。

④THA与E2两个端子间的阻值随温度变化，20℃时，THA与E2之间电阻为2～3kΩ， 40℃时，THA与E2之间电阻为0.9～1.3kΩ，60℃时，THA与E2之间电阻为0.4～0.7kΩ。

(2)卡门旋涡式空气流量传感器的检测。

以丰田凌志LS400轿车用空气流量传感器为例进行说明，其电路如图2-11所示，检测如图2-12所示。

①打开点火开关，起动发动机。

②将万用表调整到频率挡，表笔接KS与E2间，加减发动机油门，频率应随发动机转速平稳变化，怠速时的频率约为2.77k Hz。

③将万用表调整到电压挡，表笔接KS与E2间，正常电压应为2.0～4.0V。

④拔下插接器，用万用表检测E1与THA之间的电阻，不同温度下的阻值不同，20℃时，THA与E1之间电阻为2～3kΩ，40℃时，THA与E1之间电阻为0.9～1.3kΩ，60℃时，THA与E1之间电阻为0.4～0.7kΩ。

图2-11 丰田凌志LS400轿车卡门旋涡式空气流量传感器控制电路

图2-12 丰田凌志LS400轿车卡门旋涡式空气流量传感器的检测

1—万用表;2—空气流量传感器;E2—搭铁端子;VC—5V电压;KS—信号电压;THA—进气温度传感器端子

⑤测量VC与E2之间的电压，应为5V，否则检查发动机ECU及相关电路。

(3)热线式空气流量传感器的检测。

以尼桑车热线式空气流量传感器为例进行介绍，电路如图2-13所示。点火开关接通时，经主继电器给空气流量传感器的E端子提供蓄电池电压，空气流量信号经B端子输送给ECU，A端子为调整一氧化碳的可变电阻器输出端子，D端子通过ECU搭铁，C端子为直接搭铁端子。关闭点火开关时，ECU通过F端子给空气流量传感器输送自洁信号。

使用中对热式空气流量传感器的检测主要是输出信号检测和自洁功能检测。输出信号的检测如图2-14所示。

①关闭点火开关，拔下传感器线束插头，拆下空气流量传感器。

②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，则应更换空气流量传感器。

③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。如电压值不符，则须更换空气流量传感器。

图2-13 尼桑车热线式空气流量传感器的电路图

④检测热式空气流量传感器自洁功能时，要安装好热式空气流量传感器及其线束插接器，拆下空气流量传感器的防尘网，起动发动机并加速到2500r/min以上。当发动机停转后待5s，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，则须检查自洁信号或更换空气流量传感器。自洁信号的检查方法是在发动机达正常工作温度、转速超过2500r/min后，测量F端子与D端子之间的电压:关闭点火开关时，电压应回零，并在5s后又跳跃上升，1s后再回零，否则说明自洁信号不良。自洁信号不良说明线路或ECU有故障;若自洁信号正常，却看不到热线自动加热烧红的现象，说明空气流量传感器有故障。

图2-14 尼桑车热线式空气流量传感器的检测

(4)热膜式空气流量传感器的检测。

热膜式空气流量传感器与热线式空气流量传感器的检修方法基本相同，现以桑塔纳2000AJR发动机用的热膜式空气流量传感器为例说明检测过程。桑塔纳2000AJR发动机用的热膜式空气流量传感器的控制电路及插接器端子如图2-15所示。

①拔下插接器，打开点火开关。

②用万用表检测端子2与缸体、端子2与端子3之间的电压，应为12V;否则应检查油泵继电器及相关电路。

图2-15 桑塔纳2000AJR热膜式空气流量传感器

1—空端子;2—12V电源;3—搭铁端子;4—5V电压;5—信号端子

③用万用表检测端子4与缸体、端子4与端子3之间的电压，应为5V;否则说明端子4与端子11断路，应检查发动机ECU及相关电路。

④将发动机转速逐渐升高，再逐渐降低时，端子3与端子5之间的电压应在1.0～4.0V之间变化;否则应更换空气流量传感器。

四、检查与评估

本次课程主要依据表2-1考核学生对任务的完成情况。

表2-1 空气流量传感器考核卡

续表