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浅谈热线(热膜)式空气流量计的机理与检测

浅谈热线(热膜)式空气流量计的机理与检测由于现代轿车普遍采用了热线(热膜)式空气流量计作为测量进气流量,使发动机各工况的技术指标均达到一个理想化的要求。维修人员也越来越多的接触它,了解它,掌握它。

             涡轮流量计,气体涡轮流量计,罗茨流量计

    大家都知道,空气流量计在电喷轿车上的重要作用,它是喷油控制的基本信号,也是决定信号。此信号的好坏将影响混合气的配比,也直接影响发动机的动力性、稳定性及污染性。

    当空气流量计信号发生故障时,电控单元将故障码存贮的同时,也将进气量的测量权交于节气门位置信号替代,这是电控单元的一大功能,即失效保护功能。可想而知,好的空气流量计信号与节气门位置信号有着一定的差距。前者精度高,发动机各工况均好,后者精度差,相比之下,发动机各工况的控制稍有差别。

    当空气流量计信号出现偏差(不准确)时,电控单元将按错误信号进行控制喷油,使混合气浓了或是稀了,造成发动机转速不稳及动力不足。此种故障在我国国产车型上经常发生,特别是大众车系,更换空气流量计的工作是普遍现象。由于热膜式空气流量计不设自洁功能,常常被脏物影响,同样造成信号不准确。信号不准确的传感器比损坏的传感器危害更大。

    为了准确有效的检测空气流量计是好是坏还是信号偏差,我们通过理论的探讨及实际经验的积累而总结出一套行而有效的检查方法,供大家参考。

    如:一辆大众车系的轿车怠速不稳,加速不良,怀疑热膜式空气流量计信号有问题。可以在发动机运转的状况下拔下空气流量计的插头,观察发动机的变化情况,将会出现以下三种情况。

    (1)故障消失。说明此空气流量计信号有偏差,并没有损坏,电控单元一直按有偏差的错误信号进行控制喷油。由于混合比失调。发动机燃烧不正常,将会出现发动机转速不稳或动力不良现象。当拔下空气流量计插头时,电控单元检测不到进气信号,便会立即进入失效保护功能,以节气门位置传感器信号替代空气流量计信号,使发动机继续以替代值进行工作。拔下流量计插头,故障消失,正是说明了拔插头前信号不正确,拔插头后信号正确,故障消失。

    一般情况下,故障现象可以表明混合气的浓度。为了确认,我们用检测的方法,以数据说话。在插头的信号端测量动态信号电压,怠速工况下,标准电压为0.8~1.4V;加速到全负荷时,电压信号可接近4V。此车实测值.怠速时为0.3V,加速到满负荷时只有3V。由此可以确认,空气流量计有问题,信号电压整体偏低,故障原因有两种能:①零件质量问题,应更换。②脏污问题,只要用清洗剂清洗即可恢复。

    (2)故障依旧。说明此空气流量计早已损坏或线路不良,造成电控单元根本没收到信号或收到的是超值信号,电控单元确认空气流量计信号不良,进入到失效保护功能,同时将故障码存入存贮器,故障指示灯闪烁(指装有指示灯的发动机)。此时拔下空气流量计插头与不拔插头结果是一样的,故障现象不会发生变化。那么当前的故障不应是流量计信号不良所影响的,而是由其他原因所致。当真正的原因找到后,务必更换空气流量计

    (3)故障现象稍有变化。说明此空气流量计是好的。拔下空气流量计插头前,电控单元根据空气流量计信号进行控制,喷油量准确,发动机各工况均好;当拔下空气流量计插头时,电控单元根据节气门位置传感器信号进行控制,喷油量有差异(可从数据流中读出这微小的变化值),发动机工况相对稍差。

    从以上的一个动作、三种现象检查故障,看似经验,实际是理论分析的结果。如果不了解电控单元的失效保护功能(替换功能),就不可能得到如此有效的经验。

    下面以大众车系为例,以数据流分析的形式来诊断热膜空气流量计的故障,仅供参考。

    例一、一辆时代超人轿车,因怠速不稳,加速无力,急加速回火故障来厂检修。故障诊断,无故障码,着车后,进入读取数据流功能。怠速:转速在750~850r/min之间波动,节气门开度4°,进气量1.5g/s,喷油脉宽1.6ms,氧传感器信号0.2V不变。

    从以上5个数据中可以看出,只有节气门位置信号是正确的,其他信号均偏离了标准范围,进气量明显偏低(标准值为2~4g/s)。大家都知道,大众车系的怠速控制是直动式的,怠速下的进气量由节气门怠速电机来控制,而进气量由空气流量计来测量,它们是一个统一的逻辑关系。也就是说,节气门的开度决定了进气量的大小。正常情况下,节气门的每个开度均对应着一进气量。为什么此车进气量在节气门正常开度下会偏低呢?可能有三个原因:①节气门信号不准确。②空气流量信号不准确。③有漏气的可能。再来分析喷油脉宽1.6ms(标准值:2~2.5ms),明显偏小,但此时的喷油量与进气量相符,从而说明喷油量少与进气量信号有关。氧传感器信号0.2V,更加证实喷油少,导致混合气过稀。

    通过数据流分析,确认空气流量计信号过低,其原因就在空气流量计可能是真空漏气,经用真空表测量歧管真空度为62kPa,正常,不存在漏气。于是用万用表仔细测量空气流量计信号引脚,怠速下为04V(标准0.8~1.4V),加速时蕞大值不到3V(标准3.5~4V)。因而可确认空气流量计有故障,拔下空气流量计插头时,故障明显转好。更换空气流量计后,故障排除。

    例二、一辆捷达轿车,故障现象为耗油,冒黑烟,加速时较正常。

    故障诊断:读取故障码,无故障码。读数据流,节气门4°(标准2°~4°),进气量5g/s(标准2~4g/s),喷油2.7ms(标准2~2.5ms),氧传感器信号0.8V(标准0.5V上下变化)。从以上数据流分析,冒黑烟,耗油是因为混合气过浓,喷油量过大,其根本原因为进气测量信号过大。再从节气门开度分析其值并不大,可以认为空气流量计信号大的原因:①有负荷信号。②空气流量计信号不准确。一般来讲,怠速控制中有两个控制内容:①稳速控制,即在电控单元的目标转速下进行稳定控制。②在稳速控制的基础上进行提速控制,即有负荷时(空调、转向、制动、挂挡、冷车等)自动提高转速以克服负荷所带来的影响。检查中未发现有负荷信号,且从怠速转速上也未看到提速的迹象,看来问题应在空气流量计的质量上。于是用万用表检测,发现怠速时空气流量计的信号高达2V左右,比正常值0.8~1.4V高出了许多。再用拔下空气流量计插头的方法观察变化,果然好转,更换空气流量计,故障排除。再次读取数据流时,显示为2.4g/s,再次测量其信号电压时为0.9V,数值一切正常。

    例三、一辆帕萨特B51.8T),怠速不稳,加速不良,排气冒黑烟并有突突声。

    调取故障码,读到两个故障码:①混合气自适应超限(下限)。②空气流量计故障。清楚故障码后,再次启动发动机,故障依旧。

    读数据流,进气量4g/s。节气门4°,氧传感器信号0.8BV,喷油脉宽1.9ms

    从以上数据分析,进气量、节气门开度及喷油脉宽均在标准范围内,然而氧传感器信号却显示浓,这与故障现象相符。为了进一步确认氧传感器信号的可信度,用急加速和急减速的方法来观察氧传感器信号的变化。急加速时氧传感器信号同样为0.8V,当急减速时,其信号降至0.1V,并保持了122s时间后,又升至0.8V不再变化,经几次试验均是如此。有理由确认氧传感器信号可信,问题确实是混合气过浓造成发动机不稳,动力不足,冒黑烟。氧传感器信号能在急减速下显示0.1V,是因为从加速到减速时,发动机有一段断油过程,当减速将要进入怠速转速时(一般为1400r/min)将恢复供油,所以氧传感器信号为0.1V时正是断油时刻,混合气稀,恢复供油后立刻又显示浓的状态,氧传感器能反映这段过程,完全可确认其信号可信。那么过浓的原因是什么呢?从进气及喷油都正常上分析,原因在非电控方面,于是重点检测油压280kPa,油压正常。当随手关闭点火开关时,却发现了问题,油压表针在慢慢的下滑。正常的表针是不易下滑的,需要较长时间后会下滑50kPa左右,它提示喷油器有漏的可能。于是拆下4个喷油器进行清洗检测后,装复试车,故障消失,清码并重新调码时,又出现了空气流量计短路、断路故障。几次清码都清不掉,看来还有问题。读数据流,进气量为3~4g/s,加速时也随之增大,看不出空气流量计有什么问题。那为什么还有故障码呢?分析认为,显示的进气量有可能是节气门位置传感器信号提供的,当空气流量计信号有故障时,电控单元会以节气门信号代替。用万用表检测空气流量计信号0.1V,无论怠速、加速均不变化,检测插头的电源(5V12V)正常,搭铁正常,决定更换空气流量计。客户说,此车已在别处修理厂更换过,也没修好。查阅资料发现了疑点,如图1所示,2号脚为5V4号脚为12V。帕萨特B5轿车1.8L1.8T车型的空气流量计一样,但引脚作用不一样。由于没有配件,只好将2号和4号线切断换位,再试车,故障码消失,故障也随之消失。在此请朋友们注意:一定要分清帕萨特B5轿车1.8L1.8T车型的区别,以防陷入误区。

    热线(热膜)式空气流量计越来越多的应用在各种电喷车上,之所以被广泛应用就是因为热线(热膜)式空气流量计利用了惠斯顿电桥检测精度高这一优势。而空气流量计信号又是电喷车较重要的信号,它是电控单元控制喷油量的最基本信号,其余相关的传感器信号均为修正信号,基本信号的往往代表了电控系统整体的。正是由于电桥的这一特点,当今电喷车有逐步广泛应用的趋势。如D型喷射系统的进气压力传感器(压阻式),三菱轿车卡门式空气流量计内部的大气压力传感器,以及日产车系中的室内温度控制器等都采用了电桥检测这一方式。新一代的汽车维修人员在不断学习和工作中进一步的认识和掌握它,大多数维修人员是对它的检测及数据分析较熟悉,但对它的电桥特性及工作原理认识较为肤浅,这与各种资料和教材对此只是泛泛而谈有关。如果进一步对其工作原理及特性提出几个问题。怕是很难从资料中找到满意的答案,比如下列问题:

    1.桥路平衡公式(如图2所示)

    UM=UN(很容易理解)

    RK·RA=RH·RB(不易理解)

    信号电压是UMN吗?

    3.I2电流的变化是如何控制的?

    4.热线电阻在桥路平衡时,它的温度如何大于大气温度100℃?

    5.关闭点火开关,打开点火开关,着车后各种情况下桥路的状态如何?

    6.熄火后,是如何将热线加热1000℃时间为1s的?

    笔者就此机会谈谈体会认识和理解,也希望那些知深阅广的朋友给予指正,仅供参考。

    热线(热膜)式空气流量计的电路实质是惠斯顿电桥。它的基本原理就是桥路平衡时,UM=UN,当某桥臂上电阻值有变化时,桥路平衡被破坏,UMUN,从而有一个压差信号输出(即UMN0)。如果要使电桥平衡,需要重新调节桥臂上的电阻(可以是任何一个电阻)。从而引出用电阻的形式表示平衡更为直观(即RK·RA=RH·RB),称之电桥对角线上电阻乘积相等即为电桥平衡,那么是如何演变而来的呢?如下式:

    消去等式两边的RA·RB

    可以变换

    消去等式两边的U,可以变为

    纯电阻等式:

    整理后为:RB RA+RB RH=RA

    RB+RA RK

    即可变为RB·RH=RA·RK,此式为电桥的电阻平衡公式。空气流量计的工作原理,就是当有气流时,RH热量被带走,温度下降RH阻值也下降(正温度系数),桥路平衡被破坏,要使电桥重新平衡,需要加大电流提高RH的温度,使RH阻值上升,使其RK·RA=RH·RB。桥路在增大电流情况下达到新的平衡,此时电流作用在串联电阻RA上,得到一个VA电位信号,即空气流量计信号,此信号随进气量的变化而变化信号范围应在1~4V之间。有些资料中提到是0~5V之间变化,这种记录是错误的。从图3中也可以看到,N点上下电阻均有阻值,UN绝不可能是0V或是5V。认为信号就是UMN压差值,这种观点也是不对的,UMN是用来控制放大器的,也可以说是通过放大器控制桥路电流的。放大器控制三极管(三极管在放大电路中),桥路电源不应该是线路引脚直接提供的。为什么有很多人简单的理解为电源是固定的,由于RH阻值下降,电流自然增大,从而使UA变化。如果是这样,不用桥路也可以检测进气量了,说明有些人对桥路的认识不够清晰。在众多资料中,均提到热丝上的温度始终大于当前气温100℃,没有解释为什么,由于环境温度的影响,不能保证热丝阻值(即温度)的起始参考点,故在另一桥臂上装上同一温度系数的RK电阻。在不同环境温度下,两臂的阻值相应增大或减小,使热丝的温度总比补偿电阻RK温度高100℃,RK上的温度或RK的阻值代表了当前气温,RK的作用起到了参考点的作用,保证了桥路的精密,也可以说有了RK电阻。热线式空气流量计取消了气温传感器。

    下面谈谈不同工况下的桥路工作状态。

    1.点火开关关闭时,电桥为冷态,虽然电桥上无电压,但它是处在不平衡状态,即RB·RHRA·RK

    2.点火开关打开时,此时无气流通过,但电桥已是热态,有电流通过RH热丝电阻,电桥为平衡状态,此时信号输出(1V左右)。如果此时测不到电压信号,那是空气流量计有问题。

    3.当发动机启动后,有气流通过,使RH阻值下降,桥路平衡被破坏。为了电桥重新平衡,电桥增大电流达到新的平衡,其信号电压有个新的数值,其信号电压将随着进气的大小而变化(1~4V),如图4所示。

    4.熄火后,冷态,电桥进入不平衡状态,为了清楚热丝上的脏物,熄火后6s,对热丝加热到1000℃ ,时间为1s。如何控制桥路上热丝大电流,对笔者一直是个不解之迷,有望高手指点。

点击次数:  更新时间:2018-07-13 15:30:28  【打印此页】  【关闭