电喷发动机进气量检测传感器原理及故障分析

1. 引言：

传统的汽车发动机使用化油器作为燃油供给装置，汽油和空气所形成的可燃混合气必须经过不同长度和宽度的进气管，由于燃油颗粒的惯性作用，将相同空燃比的混合气均匀地送达到每一个气缸里是十分困难的。现代汽车采用多点汽油喷射取代化油器作为燃油供给装置，使得每一个气缸可以得到相等的燃油量配给，从而使吸入气缸中的混合气空燃比接近一致，不仅使汽油消耗减少，同时也可以使尾气排放中的HC和CO的含量降低。目前汽车采用电子集中控制系统，有效的保证了混合气均匀的进入汽车发动机各缸，喷油器按时、按要求喷油，使进入气缸的可燃混合气迅速准确地点燃。汽车研究机构的专家们经过大量的科学试验，采集了若干数据，并将这些数据存贮于电子集中控制系统的核心部件发动机微处理机（ECU）内，以适应某些特定车型的具体要求。微处理机的顺利工作，离不开发动机不同工况、不同部位的实时信号输入，这些输入信号就来源于安装在汽车有关部位的各个传感器。用于汽车发动机上电子控制系统的传感器，大体上可分为以下几种类型：进气量检测传感器、性能特征传感器、驾驶控制传感器以及位置传感器等，其中进气量传感器起着非常重要的作用。

2. 进气量检测传感器分析：

电子控制燃油喷射发动机中，用于检测进入发动机内空气量多少的传感器有间接测量空气量的进气歧管压力传感器（真空度传感器）和直接测量空气量的空气流量传感器两类。
（一）进气歧管压力传感器

进气歧管压力传感器，是D型（速度密度型）燃油喷射系统的非常重要的传感器，其作用是将进气歧管内的压力变化转换成电压信号。该信号在微处理机内结合发动机转速来确定进入气缸内的空气量。
1）工作原理及接线
车用进气歧管压力传感器集信号测量和放大于一体。它由硅膜片、真空气室和放大电路组成。传感器由利用半导体压电效应制成的应变片片为主体，硅膜片一面是真空室，另一面通过橡胶管接进气歧管，故承受的是进气歧管的气体压力。硅膜片真空室侧贴有四个应变电阻，以惠斯通电桥方式连接。硅膜片在进气歧管压力的作用下产生变形，应变片输出电阻值也跟着变化。该阻值的变化量，通过电路转换成为电压信号，经放大电路放大及线性化处理后，便可以从传感器端子输出与进气歧管压力成线性关系的电压信号（PIM）。电路如图1所示。传感器有个接线端子，分别为电源端子（Vcc）、接地端子（E）和信号输出端子（PIM），三端子通过导线连接器及导线与微处理器相连。
2）歧管压力传感器常见故障分析
歧管压力传感器的故障一般多为三种情况，其一是传感器损坏失准，导致输出信号偏差太大；其二是导线连接器故障而导致电源不能输入或信号不能输出；其三是连接歧管压力传感器与进气管间的橡胶管脱落或漏气。汽车在使用中一旦发现汽车发动机动力不足，转动无力，性能下降，往往与歧管压力传感器有关，自诊断系统会提示有关故障码。检修中首先进行外观检视，从进气歧管靠近节气门端找到橡胶软管，便可在汽车上找到歧管压力传感器。在关闭点火锁的状态下，检查歧管压力传感器导线连接器的连接情况是否良好，橡胶软管是否脱落；然后启动发动机，查看橡胶软管有无密封不严和漏气现象。其次进行仪表测试：

• 接通点火开关（ON位），用万用表的直流电压挡（DCV-20）测试接线端子Vcc与地线E2之间的电压值，该电压值为外加电源电压值，其值正常应为：4.5V~5.5V之间，若该值不正确，则应检查蓄电池电压或导线间的连接情况，必要时检查微处理器。
• 接通点火开关（ON位），从歧管压力传感器上拔下橡胶软管，使歧管压力传感器的进气口与大气相通，此时测试接线端子输出电压信号（PIM与E2之间），其正常值为：3.3~3.9V之间，若输出电压过高或过低，均说明歧管压力传感器有故障，应予更换。
• 接通点火开关（ON位），拆下歧管压力传感器上的真空橡胶软管，用手持真空泵向歧管压力传感器进气口处施以不同的负压，边施压边测试接线端子输电压信号PIM与地线E2之间电压值。该电压值应随所施加负压的增长呈线性增长，否则，说明传感器内的信号检测电路有故障，应予以更换。

（二）空气流量传感器
空气流量传感器，是L型（质量流量型）电子燃油喷射发动机中最主要的传感器之一。它所测试到的进入气缸的空气流量是用来确定发动机基本喷油持续时间和基本点火提前角的重要参数。用来检测空气流量的传感器型式较多，大致分为叶板式、涡流式和热线式三种。
1）叶板式空气流量传感器
由于叶板式空气流量传感器具有测量精度高，工作可靠等优点，因此广泛应用于中档汽车的电控发动机上，如丰田佳美、丰田、马自达等都装有该传感器。发动机转动时，被吸入的空气经滤清器流入，推动传感器的测量板转动一定角度，该角度角度随进气量的多少而变化，与测量板同装一轴并随测量板同时转动的电位器，随转动角度的不同所计量的电压值也不同，即该电压值也随进气量的多少而变化。为精确求出发动机需要的空气量，需要考虑空气的密度，而空气的密度是随其温度、压力而变化的。为防止因空气温度变化而引起进气量的检测偏差，在空气流量计中装有进气温度传感器。故叶板式空气流量传感器的接线端子上有空气温度信号（THA）输出。叶板式空气流量传感器的7个接线端子分别为：用于燃油泵控制的FC和E1端子；输出空气温度信号的THA端子；电源V_cc和E2端子；输出进气量信号的VB和VS端子。
叶板式空气流量传感器常见故障可分为五类，其一是叶板故障，通常表现为摆动不灵活，有卡滞现象；其二是因空气流量传感器密封不严导致空气计量不准，如壳体裂纹、接头漏气等；其三是电位器故障，如电位器滑动触点磨损或接触不良；其四是电动汽油泵开关失灵或触点烧蚀；最后是导线连接故障，如接触不良或脱落等。
汽车行驶中，一旦出现发动机动力不足，行驶无力，转速下降等较为明显的故障，往往会与空气流量传感器有关。首先进行空气流量传感器外观检测，检查导线连接接器接触是否良好（插接传感器时，要关闭点火开关）；再检查空气流量传感器外壳有无破裂，与进气管连接处有无漏气的现象；发动机停转后，关闭点火开关，用手拨动叶板看其摆动是否平顺，若有卡滞现象应更换。接下来进行仪表检测，接通点火开关，但不要起动发动机，然后在控制电脑的相应端子上测量叶板式空气流量传感器输入输出电压值（以判断其性能特征如何），应符合表1规定，否则需要进行修理或更换。

端子	条件	标准电压V
VC-E2	测量板在任何开度	4-6
VS-E2	测量板全关	3.7-4.3
	测量板全开	0.2-0.5

2）涡流式空气流量传感器#p#分页标题#e#
涡流式空气流量传感器与叶板式空气流量传感器相比具有体积小、重量轻、响应速度快、测量精度高、进气阻力小、无磨损等诸多优点，而且它输出信号为脉冲值，便于电脑处理。但它的制造成本较高，目前只有个别高档车装用，如凌志LS400和部分三菱车。
涡流式空气流量传感器通常与空气滤清器外壳安装成一体，在其空气通道中央设置一锥体状的涡流发生器，当有空气进入时，便在涡流发生器后部不断地产生涡流串，通过测出涡流串的频率即可感知空气流量的大小。检测方法有两种，一种是用反光镜检测，就是把涡流发生器两侧的压力变化，通过导压孔引向由薄金属制成的反光镜表面，使反光镜产生振动，反光镜振动时将发光二极管投射的光反射给光敏三极管，通过电路处理，便可将光电管接收到的反光信号与涡流频率、空气流速相联系，最后确定出进入气缸内的空气体积流量。另一种是用超声波检测，在空气流动方向的垂直方向装有超声波信号发生器，在其对面安装有超声波信号接收器，从超声波信号发生器发出的超声波，因受涡流造成的空气密度变化的影响，到达超声波接收器时，有时间上的差异，通过测量其相位差并通过放大电路处理使之成为矩形波，由于该矩形波脉冲频率与空气流速相联系，从而确定出进气量的体积流量。
为了便于对进气温度适时检测，涡流式空气流量传感器内，装有进气温度传感器，控制电脑ECU根据进气温度信号（THA），对随气温变化的空气密度进行修正，因此，涡流式流量传感器接线端子上有进气温度信号端子（THA）和进气温度传感器接地端子（E1）,以及电源Vcc，以及传感器接地端子E2。
由于涡流式空气流量传感器在制造时，充分考虑了多方影响因素，因而它出现故障的机率较低。在仪表检测中，一旦出现数据与原规定值偏离较大，则需更换新的涡流式空气流量传感器。现仅以丰田凌志LS400型轿车所装配的IUE·EF发动机用反光镜式涡流空气流量传感器为例，进行传感器单体检测分析。首先接通点火开关（ON位置），但不启动发动机。此时测量ECU向传感器供电电压，即导线连接器端子VC与E2接地端子间电压，正常值为：4.5V~5.5V。当确定上述电压正常后，便可测量涡流空气流量传感器输出信号端子KS与接地端子E2之间的电压值。测量时，分为两个步骤，第一步是在打开点火开关，发动机不启动时，KS与E2电压值为：4.5V~5.5V。第二步，启动发动机，在怠速状态下（1000分/转），Ks与E2端子间电压为脉冲电压，电压值为0.2~0.4V之间为合适。
3)热线式空气流量传感器
在发动机通道中若放置一发热体，由于热量被空气吸收，发热体变冷。发热体周围通过的空气流量越多，被带走的热量就越多。热线式空气流量传感器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。它具有测量精度高、响应速度快、进气阻力小、不会磨损等优点，广泛用于别克、尼桑、沃尔沃等不同车型上。
在热线式空气流量传感器空气通道内，装有热线和冷线，热线为70μm粗的白金丝，其电阻值随温度而变化，用于感知空气流量的多少。冷线是一个白金薄膜电阻器，其电阻值随进气温度的不同而变化，它是修正进气温度的温度补偿电阻。在传感器内部还装有控制热线电流（以便控制其温度）并产生输出信号的集成线路板。集成电路将热线温度与吸入空气的温度差保持在一特定温度值（100℃）。当空气流量增大时，由于空气带走的热量增多，为保持热线温度，集成电路使热线通过的电流增大，反之，则减小。这样，流过热线的电流大小便与空气流量之间构成了一定的比例关系，即热线电流随空气流量的增大而增大，随空气流量的减小而减小。热线加热电流在50~120mA之间变化，具体值取决于进气空气的质量流量。集成电路不仅控制着热线电流，同时将流过热线的电流大小转换成传感器的输出电压信号输送给控制电脑ECU。
热线式空气流量传感器安装在发动机空气滤清器与进气总管之间，其后端为节气门体。由于热线安装在进气管路中，在使用一段时间后，热线表面会受空气中灰尘的沾污，从而引起空气流量传感器输出信号的偏差，使其测量精度降低。为克服此问题，电路中设置了一个传感器热线自清洁电路，使得每次关闭发动机时，该电路给热丝输送一极限电压值，使热线迅速加热 到1000℃左右以清除其上的脏物，从而达到自清洁作用，因此，在热线式空气流量传感器导线连接器端子中，有一个由ECU输入自清洁信号的端子。由于热线式空气流量传感器的热线所需电流较大，其电源的供给是不通过控制电脑ECU的，而是直接取自于蓄电池电压，接线端子中有蓄电池供电端子及做为热丝加热电路的专用搭铁端子。热线式空气流量传感器，通过两个接线端子，分别给控制电脑ECU输送热线电流变化的电压信号和冷线电阻变化的电压信号（该信号相当于进气温度传感器THA信号）
热线式空气流量传感器输出的热丝电流变化的电信号以及冷丝电阻变化的电信号，直接影响着发动机燃油喷射和点火正时的确定，由于热线式空气流量传感器所测试的是空气质量流量，因此它便避免了海拔高度的误差。在使用中它出现故障的机率很低，即使有也可通过以下的故障单体检测加以确定，除接线端子接触不良外，往往是其内部测试电路中的电子元器件性能偏移。热丝式空气流量传感器的检测数据，因车型不同略有差异，但是检测方法基本相同，现仅以日产尼桑VG 30E发动机所用热线式空气流量传感器为例，加以测试说明。

• 热丝自清洁功能的检查：该车自清洁功能信号端子用“F”表示，在不拔下导线连接器的情况下，拆下空气滤清器，拆下空气流量传感器的防尘网。启动发动机，并加速到2500转/分钟以上，之后关闭点火开关（OFF位），此时从拆下防尘网的进气通道处观察热丝能否自动烧红（关闭点火开关5秒后，热丝能加热到1000℃），并持续大约1秒钟。如无此现象，说明空气流量传感器热丝自清洁功能有故障，若“F”端子接线良好，则需更换空气流量计。
• 输出信号特性检查：在关闭点火开关（OFF位）前提下，拔下空气流量传感器的导线连接器，并拆下空气流量传感器总成，进行单体测量。测量输出信号之前，需在传感器蓄电池电压输入端子“E”与搭铁端子“D”之间加蓄电池电压（蓄电池正极接E，负极接D），然后按步骤测量传感器输出电压值。第一步，测静态输出信号值。用电压表测热丝电压输出信号端子“B”与搭铁端子“D”之间电压值，正常值为1.6±0.5v，如电压不符，则应更换空气流量传感器。第二步，用嘴或电扇将热空气吹入空气流量计内，同时测量“B”端子与“D”端子间电压值，应有所上升，在吹气时测量的电压值应保持在   2.0~4.0 V之间,否则应更换之。第三步，用电吹风分别向空气流量传感器吹热 风和冷风，并测量冷丝信号端子“A”与“D”之间电压值，应有波动变化为合适，否则应更换空气流量传感器。

3. 结束语：#p#分页标题#e#

随着现代汽车工业、微电子计算机以及自动化技术的迅猛发展，现代汽车技术正向着高性能、全自动甚至是人工智能的方向发展。这其中传感器作为汽车的重要“感知器官”其重要作用是不言而喻的，其性能将伴随着相关学科技术水平的发展而不断提高。本文仅给出了有关进气量检测传感器的一些应用经验；对于性能特征传感器、驾驶控制传感器以及位置传感器等将另文讨论。