汽车空气流量计原理及分类

空气流量计是测量发动机吸入空气量的装置。进气量用来计算基本喷油持续时间和基本点火提前角。电控汽油喷射系统能否正确地将空燃比控制在所需的范围内，决定了发动机的动力性、燃油经济性和排放指标等。而汽油机空燃比的调节是采用调整与进气量相匹配的供油量的方式，因此进气流量的测量是控制空燃比的基础。根据测量原理的不同，有翼片式空气流量计、卡门涡旋式空气流量计、热线式空气流量计及热膜式空气流量计。

1.翼片式空气流量计

（1）构造 翼片式空气流量计测量部分由测量板（简称为翼片）、补偿板、阻尼室、回位弹簧、电位计和旁通通道组成，此外还包括怠速调整螺钉、油泵开关及进气温度传感器等，如图1-8所示。其内部结构如图1-9所示。

（2）工作原理 翼片式空气流量计是利用空气流动产生的压力差将测量板推开的原理进行工作的，其工作原理如图1-10所示。

图1-8 翼片式空气流量计

1—电位计 2—补偿板 3—发动机侧 4—旁通系统 5—测量板（翼片） 6—空气滤清器侧 7—进气温度传感器 8—回位弹簧9—阻尼室

图1-9 翼片式空气流量计的内部结构

a）空气测量部位 b）电位计及其传动部位 1—阻尼室 2—补偿板 3—发动机侧 4—怠速混合气调整螺钉 5—旁通通道 6—测量板 7—空气滤清器侧 8—电位计

在翼片的回转轴上，装有一根螺旋回位弹簧，当吸入空气推开翼片的力与弹簧变形后回位力相平衡时，翼片即停止转动。若空气流量增大，由此产生的气流压力也随之增大，则翼片的偏转角度也增大。由于位于翼片回转轴端并与回转轴固定联动的电位计活动臂与翼片同步摆动，因此可用电位计的电阻值变化量检测出翼片的转动角度，即可求出空气流量。

翼片式空气流量计的主要优点是结构简单、价格便宜、可靠性好；但也存在体积大、不便于安装、急加速响应滞后较长、进气阻力大、需进行大气压力和温度补偿等缺点。

2.卡门涡旋式空气流量计

卡门涡旋式空气流量计是利用卡门涡旋发生的规律与空气流速存在的某种对应关系来测量空气流量的一种装置。

（1）卡门涡旋产生的原理 在进气管道中设置一锥体（或柱体）称之为涡流发生器，当空气流过时，在涡流发生器后部将不断产生有规律交错的涡旋，这些涡旋被称为卡门涡旋，如图1-11所示。

卡门涡旋频率f和空气流速v、涡流发生器外径尺寸d之间的关系如下

f=0.2v/d

所以，只要测得卡门涡旋的频率，就可以知道空气流速。再将空气通道的有效截面积与空气流速相乘，就可以知道吸入空气的体积流量。卡门涡旋式空气流量计就是利用上述原理工作的。这种空气流量计输出的是与卡门涡旋同步的电脉冲信号（数字信号），如图1-12所示。

图1-10 翼片式空气流量计的工作原理

1—可变电阻滑动触头 2—电位计 3—发动机 4—测量板（翼片） 5—旁通通道 6—空气滤清器 U_B—电源电压 U_S—电位差 Q—空气流量 α—翼片偏转角 a—翼片全闭位置 b—翼片终止位置

图1-11 卡门涡旋

图1-12 卡门涡旋式空气流量计脉冲信号输出

进气量大时，信号的频率高；进气量小时，信号频率低。卡门涡旋的频率用ECU中给定周期（单位时间）内的涡旋个数求得。

（2）卡门涡旋式空气流量计的结构与工作原理 卡门涡旋式空气流量计的结构如图1-13所示，它主要由设置在空气通道中央的锥状卡门涡旋发生器和相应的检测装置等组成。当空气流过卡门涡旋发生器时，在其后部将不断产生卡门涡旋。在单位时间内产生的卡门涡旋个数（即发生频率）与气流的速度有关，只要测出卡门涡旋的发生频率，即可知道空气流量的大小。检验卡门涡旋频率有两种方法：反光镜检测和超声波检测。

1）反光镜检测。反光镜检测方式的涡旋检测装置有反光镜、发光二极管和光敏晶体管、板弹簧组成，如图1-13所示。

当空气流过卡门涡旋发生器时，受交替产生的卡门涡旋的影响，卡门涡旋发生器两侧压力也交替发生变化。用导压孔把卡门涡旋发生器两侧的压力引到薄金属制成的反光镜背面，受卡门涡旋发生器两侧交替变化压力的作用、反光镜将产生与卡门涡旋发生器频率相同的偏转振动，如图1-14所示。在反光镜产生偏转振动的同时，发光二极管投射到反光镜上的反射光束的方向也以相同的频率变化。当发射光束发射到光敏晶体管上时，光敏晶体管输出高电平，反之则为低电平。对于连续产生的卡门涡旋，光敏晶体管输出与之对应的脉冲数，通过对光敏晶体管发出的电脉冲进行计数，即可计算出涡旋的发生频率，进而计算出空气的流速和体积流量。

2）超声波检测。超声波检测方式的涡旋检测装置主要由超声波信号发生器、超声波接收器等组成。它是利用卡门涡旋的存在，会使通道横截面空气密度发生变化这一现象来测量涡旋的发生频率。超声波信号发生器安装在空气流动的垂直方向，在它对面安装超声波接收器，如图1-15所示。

发动机运行时，超声波信号发生器不断地向接收器发出一定频率的超声波。当超声波通过发动机进气气流到达超声波接收器时，因受卡门涡旋引起的空气密度变化的影响，超声波频率的相位将发生变化，接受其测出这一相位变化，利用放大器把它们整形为矩形波，根据矩形波的脉冲频率，即可计算出卡门涡旋的发生频率。

卡门涡旋式空气流量计与其他几种空气流量计相比，响应速度快，它的输出信号几乎与空气流速变化同步；此外，它还具有进气阻力小、无磨损、结构紧凑、输出为脉冲信号且脉冲频率与流速成正比、容易检测和处理等优点，但也存在制造成本较高、需要进行大气压力和温度修正的缺点。(www.xing528.com)

图1-13 卡门涡旋式空气流量计的结构

v—空气流速 d—涡流发生器外径尺寸

图1-14 反光镜检测方式的原理

3.热线式空气流量计

（1）结构 热线式空气流量计包括有铂丝制成的热线、空气温度传感器（冷线）、电子回路等。它有两种结构：一种是主流测量力式，铂金热线和上游温度传感器都安装在位于空气主通道上的取样管内，如图1-16所示；另一种是旁通测量方式，把热线缠绕在绕线管上并置于空气的旁路内，如图1-17所示。这两种热线式空气流量计为了将热线温度与进气温度的温差维持恒定，都设有控制回路。

（2）工作原理 热线式空气流量计的工作原理和广泛使用的热线风速仪相同。在空气通路中放置一发热体，由于热量被空气吸收，发热体本身会变冷，热线的电阻值会发生变化（变小）。发热体周围通过的空气流量越多，被带走的热量也越多。热线式空气流量计就是利用发热体与空气之间的这种热传递现象进行空气流量测量的。

这种空气流量计设有进气温度测定部分和发热部分，ECU根据进气温度和进气量的大小改变供给热线的电流，保持吸入空气与热线的温度差一定，并通过测定热线电流的大小感知气体的流量（质量流量）。从原理上，热线式空气流量计具有在ECU中计算持续期及空燃比时无须对进气温度和压力进行修正的特点。其基本工作原理如图1-18所示。

图1-15 卡门涡旋式空气流量计 （超声波检测方式）

1—信号发生器 2—涡流稳定板 3—超声波发生器 4—涡流发生器 5—往发动机 6—卡门涡旋 7—与涡流数对应的疏密声波 8—超声波接收器 9—接计算机 10—旁通通道 11—整流器

图1-16 热线式空气流量计 （主流测量式）

1—防回火屏蔽 2—取样管 3—铂金热线 4—上游温度传感器 5—电子回路 6—插接器

图1-17热线式空气流量计（旁通测量方式）

1—热线及冷线绕组 2—陶瓷螺线管 3—控制回路 4—冷线（进气温度测定） 5—热线 6—旁通气道 7—主通路 8—至节气门

输出电压U_M是与热线电流I_H成比例的模拟信号。为了提高测量精度，内部设有稳压电路，以便控制热线两端电压保持恒定，使其不受外部电源变动的影响。

加热电流I_H变化较大（50～1200mA），高精密电阻R₃为避免自热，采用温度系数很低的金属薄膜电阻。电桥电路另一个臂上电阻器的电阻很大，电流只有几毫安，以减少电损耗。其中R_K是铂金薄膜电阻，与R₁相连作为温度补偿。

热线式空气流量计具有响应速度快、能在几毫秒内对空气流量的变化作出响应、测量精度高、进气阻力小、不会磨损、可直接测量进气空气的质量流量等优点，但也存在造价高、热线表面易受空气中尘埃的沾污使热辐射能力降低而影响其测量精度、当空气流速分布不均匀时会产生误差、发动机回火易造成断线等缺点。

由于这种空气流量计基于热线表面与空气的热传导，热线上的任何沉积物都将对输出信号产生有害的影响，因此控制电路中具有自动烧净（Burn-off）功能。每当发动机熄火后4min，控制电路就会发出控制电流，使热线温度迅速升至1000℃并加热1s，将粘附于热线表面的污染物完全烧净。

4.热膜式空气流量计

（1）结构 热膜式空气流量计的结构如图1-19所示，其发热体不是热线，而是热膜。热膜式空气流量计将热线、补偿电阻（冷线）及精密电阻用厚膜工艺固定在以陶瓷为基片的树脂膜上，同时其的分析电路比热线式空气流量计的要简单得多，而起动速度几乎相同。这种空气流量计的主要缺点是空气流速不均匀，易影响测量精度。

（2）工作原理 热膜式空气流量计的工作原理与热线式空气流量计的相同。

图1-18 热线式空气流量计的基本工作原理

R_H—热线传感器电阻 R_K—冷线电阻 R₁、R₂、R₃—高精密电阻 U_M—空气流量的电压信号

图1-19 热膜式空气流量计的结构

1—控制回路 2—通往发动机 3—热膜 4—上游温度传感器 5—金属网