- 新款汽车传感器检测与维修
- 李伟
- 6334字
- 2020-08-26 15:37:17
第一节 热膜式空气流量传感器
一、热膜式空气流量传感器结构与工作原理
1.结构
热膜式空气流量传感器是热线式空气流量传感器的改进型（大众CC、新帕萨特），它的发热体是热膜（由发热金属铂固定在薄的树脂膜上制成），而不是热线。热膜式空气流量传感器发热体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，提高了流量计的可靠性。同时与热线式空气流量传感器相比，热膜式空气流量传感器的热膜电阻的阻值较大，消耗电流较小，使用寿命也较长。但是由于其发热元件表面的一层保护薄膜存在辐射热传导作用，因此响应特性稍差。热膜式空气流量传感器的结构如图2-1所示。
图2-1 热膜式空气流量传感器结构及内部元件
热膜式空气流量传感器内部的进气通道上设有一个矩形护套（相当于取样套），热膜电阻设在护套中。为了防止污物沉积到热膜电阻上影响测量精度，在护套的空气入口一侧设有空气过滤层，用以过滤空气中的污物。为了防止空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。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，线束设在传感器壳体中部。
2.工作原理
热膜式空气流量传感器与热线式空气流量传感器的工作原理大致一样。传感器的热膜电阻RH、温度补偿电阻RT、精密电阻R1及R2、信号取样电阻Rs在电路板上以惠斯顿电桥的方式连接，如图2-2所示。当空气气流流经发热元件并使其受到冷却时，发热元件即热膜电阻温度降低，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，使其温度保持高于温度补偿电阻温度一个固定值（一般仍为100℃）。电流增量的大小取决于发热元件受到冷却的程度，即取决于流过传感器的空气量。当电桥电流增大时，信号取样电阻Rs上的电压就会升高，从而将空气流量的变化转化为电压信号Us的变化。信号电压输入ECU后，ECU可根据信号电压的高低计算出空气流量的大小。
图2-2 热膜式空气流量传感器电路
RT—温度补偿电阻；RH—热膜电阻；Rs—信号取样电阻；R1、R2—精密电阻；UCC—电源电压；Us—信号电压；A—控制电路
当发动机怠速或空气为热空气时，因为怠速时节气门关闭或接近全闭，所以空气流速低，空气量少；又因空气温度越高，空气密度越小，所以在体积相同的情况下，发热元件受到冷却的程度小，阻值减小的幅度小，所以电桥平衡需要的电流小，如图2-3所示，故信号取样电阻上的信号电压低。控制单元ECU根据信号电压即可计算出空气量。
图2-3 热膜式空气流量传感器的测量原理
当发动机负荷增大或空气为冷空气时，因为节气门开度增大，空气流速加快使空气流量增大；冷空气密度大，在体积相同的情况下冷空气质量大，所以发热元件受到冷却的程度增大，阻值减小幅度大，保持电桥平衡需要的电流增大，因此当发动机负荷增大时，信号电压升高。
二、新型热膜式空气流量传感器HFM6
1.结构
它的主要部件包括，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；一个具有数字信号处理功能的传感器电子单元；一个数字接口。如图2-4所示。
图2-4 热膜式空气流量计HFM6结构
与先前的空气流量传感器相比，新一代空气流量传感器的信号可以通过数字接口传递给发动机控制单元进行准确、稳定的分析。空气流量传感器的电路和传感器元件安装在一个紧凑的塑料外壳上。
在空气流量传感器总成的最下端是一条测量管路，伸入到传感器元件组中。测量管路从进气歧管的气流中引入一部分气流并引导其流经传感器元件。
传感器元件测量这部分气流中进气以及反方向的空气流量。对于空气流量的测算信号由电路进行处理分析，并传递给发动机控制单元。
2.旁路通道
与以往的型号HFM5相比，新一代空气流量传感器的旁路通道在流动性方面进行了优化。用于空气流量测量的空气分流在阻流边后面被吸入旁路通道，如图2-5所示。
图2-5 传感器的旁路通道
通过阻流边这种结构在其后产生负压。在这个负压的作用下，空气分流被吸入旁路通道，以进行空气流量测量。迟缓的污粒跟不上这种快速的运动，通过分离孔被重新导入到进气中。这样，测量结果不会因污粒而失真，传感器元件也不会因其而损坏。
3.测量方法
传感器元件位于传感器电子单元旁边，并伸入用于空气流量测量的空气分流内。在传感器元件上有一个热电阻、两个与温度相关的电阻R1和R2，以及一个进气温度传感器，如图2-6所示。
图2-6 传感器元件位置
传感器元件在中间通过热电阻被加热到高于进气温度120℃。如进气温度30℃、热电阻被加热至120℃，测得温度为120℃+30℃=150℃。
由于与热电阻之间的间距，传感器至边缘的温度逐渐降低如表2-1所示。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。
表2-1 测量值显示
4.回流识别
为保证最佳的空燃比和低的燃油消耗，发动机管理系统需要知道到底有多少空气最终进入发动机气缸内。空气流量计为管理系统提供此项信息。
气门的开关动作会导致进气歧管内的空气朝相反的方向流动。带反向流量识别的热膜式空气流量传感器探测气流的反向流动，并将此信号发送给发动机控制单元。由此，空气流量得以精确地测算。
进气门关闭时，吸入的空气受其阻碍回流到空气质量传感器。如果回流未被识别出来，则测量结果就会出错。回流的空气碰到传感器元件，先流过与温度相关的电阻R2，接下来流过热电阻，然后流过与温度相关的电阻R1。电子模块通过R1和R2的温度差识别出回流空气流量和流向，如图2-7所示。
图2-7 传感器回流识别
集成在传感器元件上的是两个温度传感器（T1+T2）和一个加热元件。
连接传感器和加热元件的基板由玻璃膜片组成，如图2-8所示。之所以使用玻璃，是因为它的导热性极差。这可以防止热量从加热元件由玻璃膜传给传感器。如果传给传感器将导致测量误差。
图2-8 传感器内部元件设计
加热元件负责加热流经玻璃膜的空气。由于没有气流而使热辐射均匀，并且与加热元件等距布置，因此两个传感器能测量到相同的空气温度，如图2-9所示。
图2-9 两个传感器测量空气温度
（1）空气质量识别 在进气冲程时，气流经传感器元件从T1流经T2。气流使传感器T1得以冷却，然后流经加热元件又重新被加热，从而使传感器T2达不到传感器T1那样的冷却程度，如图2-10所示，因此T1的温度比T2低。温差信号发送给电路，从而进气质量得以计算。
图2-10 空气流量识别
（2）反向气流识别 如果气流反方向流过传感器元件，则T2温度受冷却而下降的程度比T1大，由此，电路能识别出气流的反向流动。它将从进气质量中减去这部分反向气流的质量，并将信号反馈给发动机控制单元，如图2-11所示。
图2-11 反向气流识别
发动机控制单元由此获得一个电信号，它能准确标定出实际的空气质量，并能更准确地标定喷射的燃油质量。
5.工作过程
空气流量传感器的传感器元件耸立在发动机吸入的气流中。一部分空气流经空气流量计的旁通气道。旁通气道内有传感器电子装置，该电子装置上集成有一个加热电阻和两个温度传感器，如图2-12所示。这两个温度传感器用来识别空气的流动方向，吸入的空气首先经过温度传感器1；从关闭的气门回流的空气首先经过温度传感器2，与加热电阻合用，发动机控制单元就可计算出吸入空气中的氧含量。
图2-12 空气流量计的传感器工作过程
至发动机控制单元的空气质量信号传递，空气质量计向发动机控制单元传递一个包含被测空气质量的数字信号（频率），如图2-13所示。发动机控制单元通过周期长度来识别测得的空气质量。数字信息相对于模拟线路连接来说，对干扰不敏感。
图2-13 空气质量的数字信号（频率）
三、热膜式空气流量传感器检测方法
1.大众迈腾1.8TSI发动机热膜式空气流量传感器G70检测
大众迈腾1.8TSI发动机使用热膜式空气流量传感器G70，计量发动机的进气量，图2-14所示为传感器的插头，图2-15、图2-16所示为该传感器与J519车载电网控制单元、ECU的连接电路。
图2-14 热膜式空气流量传感器插头
图2-15 蓄电池、启动机、总线端15供电继电器、接线端50供电继电器及保险丝连接电路
A—蓄电池；B—启动机；J329—总线端15供电继电器，在车载电网控制单元继电器支架上；J519—车载电网控制单元；J682—接线端50供电继电器，在仪表板下左侧的继电器板上5号位（53继电器）；SC4—熔丝架C上的熔丝4；SC10—熔丝架C上的熔丝10；SC20—熔丝架C上的熔丝20；SC22—熔丝架C上的熔丝22；SC31—熔丝架C上的熔丝31；SD8—熔丝架D上的熔丝8；SD10—熔丝架D上的熔丝10；T1v—1芯黑色插头连接；T2cq—2芯黑色插头连接；T8t—8芯黑色插头连接；T11—11芯黑色插头连接；12—发动机舱内左侧接地点，在左前纵梁上；249—接地连接2，在车身线束中；639—接地点，在左侧A柱上；652—变速箱和发动机接地的接地点；B555—正极连接2（50），在车身线束中；B571—连接38，在车身线束中；*—到2009年01月止；**—从2009年01月起
图2-16 发动机控制单元、λ传感器、空气流量计、λ传感器加热装置、进气温度传感器2连接电路
G39—λ传感器；G70—空气流量计；G299—进气温度传感器2；J519—车载电网控制单元；J623—发动机控制单元；T4ya—4芯棕色插头连接；T5h—5芯黑色插头连接；T94ya—94芯黑色插头连接；Z19—λ传感器加热装置；ws—白色；sw—黑色；ro—红色；br—褐色；gn—绿色；bl—蓝色；gr—灰色；li—淡紫色；ge—黄色；or—橘黄色；rs—粉红色
（1）热膜式空气流量传感器各插头的端子说明
①T5h/5为空气流量传感器信号线，电压在0～5V之间变化。
②T5h/4为搭铁线，在车身线束中B702中。
③T5h/3为电源线，打开点火开关时，由点火开关15号线向J527转向柱电子装置控制单元提供电源信号，再向J519提供电源信号，J519向J329提供电源继电器吸合，并经保险丝SC22（5A）向空气流量传感器提供蓄电池电压。
④T5h/2为进气温度传感器信号线（温度低时电压高，温度高时电压低，如在20℃时电压在0.5～3V之间）。
⑤T5h/1为电源信号线，由发动控制单元J623提供5V参电压。
（2）检测传感器的供电电压及信号电压
①检测电源电压 关闭点火开关，拆下空气滤清器，打开点火开关，即置于“ON”位置不启动发动机。用万用表的电压挡测量空气流量传感器插头中的T5h/3端子（正信号线）与T5h/4搭铁线端子（负信号线）之间的电压值应为蓄电池电压。然后用万用表测量插头T5h/5端子与TH5/4搭铁间的电压标准值应为5V。如图2-17所示。
图2-17 检测热膜式空气流量传感器的电源电压
②检测信号电压 关闭点火开关，拆下空气滤清器，打开点火开关，即置于ON位置不启动发动机。用万用表的电压挡测量空气流量传感器插头中的T5h/1端子（正信号线）与T5h/5端子（负信号线）之间的电压值。用+表笔插入空气流量传感器5号端子线束中，-表笔插入3号端子的线束中。然后用电吹风（冷风挡）向流量传感器空气入口吹气，观察信号电压的变化值。若信号电压不变化，说明空气流量传感器失效，应更换。标准值为2.0～4.0V。
③检测线束导通性（断路） 关闭点火开关，拔下空气流量传感器的插头，拔下电控单元J623的线束连接器，用万用表检测插头T5h/1端子与ECU连接器的T94ya/23端子间的电阻值，标准值应小于1Ω。用万用表检测插头T5h/5端子与J623连接器的T94ya/60端子间的电阻值，标准值应小于1Ω。用万用表检测插头T5h/2端子与ECU连接器的T94ya/65端子间的电阻值，标准值应小于1Ω。
④用诊断仪检测 用VAS5052诊断仪检测空气流量传感器信号，操作步骤如下。
输入地址码01进入发动机测试，输入08读取测量数据组，输入组号02读取基本功能数据。显示区域4即为进气空气质量，其标准值为2.0～4.5g/s。若小于2.0g/s，说明进气系统有泄漏；若大于4.5g/s，说明发动机负荷太大。偏离标准值可能是空气流量传感器或其线路有故障。如果空气流量传感器有故障，会出现故障码“00553”G70空气流量传感器线路对地断路或短路。
进气温度传感器，作为内部计算进气温度，并且数据流不提供此数据，有故障时不一定报故障码（与发动机控制单元软件版本号有关）。
⑤输出信号的万用表电压法检测 在线路连接完好的情况下，使发动机怠速运转，利用背插法，用万用表电压挡测量端子T5h/5与地之间电压，在发动机怠速时应为1.4V，急加速时为2.8V，否则说明空气流量传感器计量有偏差。
2.大众CC、新款帕萨特热膜式空气流量传感器检测
大众CC、新款帕萨特1.8TSI发动机使用的是改进的三线（取消了进气温度传感器）热膜式空气流量传感器G70来计量发动机的进气量，图2-18、图2-19所示为该传感器与J519车载电网控制单元、ECU的连接电路。
图2-18 端子15供电继电器、熔丝座A、熔丝座C连接电路
J329—端子15供电继电器；SA—熔丝座A；SA4—熔丝架A上的熔丝4；SC—熔丝座C；SC1—熔丝架C 上的熔丝1；SC10—熔丝架C上的熔丝10；SC27—保险丝架C上的保险丝27；507—螺栓连接（30），在蓄电池熔丝座上；514—螺栓连接4（30a），在继电器板上；B290—正极连接14（15a），在主导线束中；B291—正极连接15（15a），在主导线束中；B330—正极连接16（30a），在主导线束中；B571—接地连接38，在主导线束中
图2-19 进气温度传感器、冷却液温度传感器、空气质量计、冷凝器出口上的冷却液温度传感器、发动机控制单元连接电路
G42—进气温度传感器；G62—冷却液温度传感器；G70—空气质量计；G83—冷凝器出口上的冷却液温度传感器，黑色；J623—发动机控制单元，排水槽内中部；T5f—5芯插头连接；T60—60芯插头连接；T94—94芯插头连接；D101—连接1，在发动机舱导线束中
（1）热膜式空气流量传感器各插头的端子说明
①T5f/1为空气流量传感器信号线，由J623发动机控制单元提供电压为5V。
②T5f/2空气流量传感器搭铁线。
③T5f/3为电源线，打开点火开关时，由点火开关15号线向J519提供电源信号，J519向J329提供电源继电器吸合，并经保险丝SC10（10A）向空气流量传感器提供蓄电池电压。
（2）检测传感器的供电电压及信号电压
①检测电源电压 关闭点火开关，拆下空气滤清器，打开点火开关，即置于“ON”位置不启动发动机。用万用表的电压挡测量空气流量传感器插头中的T5f/1端子（正信号线）与T5f/2搭铁线端子（负信号线）之间的电压值应为5V。然后用万用表测量插头T5f/3端子与T5f/2搭铁（或车身）间的电压应为蓄电池电压（如无电源检查保险丝SB30及供电继电器J329）。
②检测信号电压 用万用表+表笔插入空气流量传感器T5f/1号端子线束中，-表笔插入T5f/2号端子的线束中。然后用电吹风（冷风挡）向流量传感器空气入口吹气，观察信号电压的变化值。若信号电压不变化，说明空气流量传感器失效，应更换。
③检测线束导通性（断路） 关闭点火开关，拔下空气流量传感器的插头，拔下电控单元J623的线束连接器，用万用表检测插头T5f/1端子与J623连接器的T94/23端子间的电阻值，标准值应小于1Ω。用万用表检测插头T5f/2端子与J623连接器的T94/65端子间的电阻值，标准值应小于1Ω。
3.桑塔纳2000GSI、捷达GT、GTX轿车空气流量传感器检测
桑塔纳2000GSI、捷达GT、GTX轿车均使用同一类型的热膜式空气流量传感器来计量发动机的进气量，热膜式空气流量传感器与ECU电路如图2-20所示。
图2-20 空气流量传感器与ECU之间的连接线束
（1）热膜空气各插头的端子说明
端子1为空脚；端子2为12V电源；端子3为负信号线；端子4为由ECU提供的5V电源；端子5为信号线。
（2）检测传感器的供电电压及信号电压
①检测电源电压 关闭点火开关，拆下空气滤清器，打开点火开关，即置于“ON”位置不启动发动机。用万用表的电压挡测量空气流量传感器插头中的2端子（正信号线）与搭铁线之间的电压值为蓄电池电压。然后用万用表测量插头4端子与搭铁间的电压应为5V。
②检测信号电压 关闭点火开关，拆下空气滤清器，打开点火开关，即置于“ON”位置不启动发动机。用万用表+表笔插入空气流量传感器5号端子线束中，-表笔插入3号端子（负信号线）的线束中。然后用电吹风（冷风挡）向流量传感器空气入口吹气，观察信号电压的变化值。若信号电压不变化，说明空气流量传感器失效，应更换。标准值为2.0～4.0V。
（3）检测线束导通性（断路） 关闭点火开关，拔下空气流量传感器的插头，拔下电控单元J220的线束连接器，用万用表检测插头3端子与电控单元J220连接器的12端子间的电阻值，标准值应小于1Ω。用万用表检测插头4端子与电控单元J220连接器11端子间的电阻值，标准值应小于1Ω。用万用表检测插头5端子与电控单元J220连接器13端子间的电阻值，标准值应小于1Ω。如图2-21所示。
图2-21 空气流量传感器插头与控制单元的导通性