熱膜式空氣流量計的測量技術(shù)

郭小蘭

摘 要： 熱膜式空氣流量計是基于熱平衡原理，用于檢測吸入發(fā)動機(jī)空氣的質(zhì)量流量計?？蓽y量吸入發(fā)動機(jī)氣缸的空氣量并將其轉(zhuǎn)變成電信號傳送給ECU，是確定基本噴油量的重要依據(jù)之一。本文通過對熱膜式空氣流量計的測量原理、溫度補(bǔ)償?shù)姆治鼋榻B了其測量技術(shù)。

關(guān)鍵詞： 熱膜式空氣流量計 恒溫差控制 溫度補(bǔ)償

空氣流量傳感器AFS（Air Flow Sensor）又稱為空氣流量計AFM（Air Flow Meter），其功用是檢測發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量大小、并將進(jìn)氣量信息轉(zhuǎn)換成電信號輸入電控單元（ECU），以供ECU計算確定噴油時間（即噴油量）和點(diǎn)火時間。進(jìn)氣量信號是控制單元計算噴油時間和點(diǎn)火時間的主要依據(jù)，同時對發(fā)動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、提高燃油效率及減少汽車尾氣排放起到至關(guān)重要的作用[1]。

1.熱膜式空氣流量計的基本原理

圖1 熱膜式AFS的結(jié)構(gòu) 圖2 熱膜式AFS內(nèi)部元件示意圖

1—接線插座 2—護(hù)套 1—過濾層 2—溫度補(bǔ)償電阻

3—鉑金屬膜 4—防護(hù)網(wǎng) 3—熱膜電阻

熱膜式空氣流量計的發(fā)熱元件是鉑金屬膜，鉑金屬發(fā)熱元件的響應(yīng)速度很快，能在幾毫秒內(nèi)反映出空氣流量的變化，因此測量精度不受進(jìn)氣氣流脈動的影響。此外還具有進(jìn)氣阻力小，不磨損部件等優(yōu)點(diǎn)，因此目前大多數(shù)中高檔轎車都采用了這種熱膜式空氣流量計[2]。

熱膜式空氣流量計的結(jié)構(gòu)如圖1所示，熱膜電阻設(shè)在其內(nèi)部的進(jìn)氣通道的一個矩形護(hù)套中。為了防止污物沉積到熱膜電阻上影響測量精度，在護(hù)套的空氣入口一側(cè)設(shè)有空氣過濾層，用以過濾空氣中的污物。為了防止進(jìn)氣溫度變化使測量精度受到影響，在熱膜電阻附近的氣流上游沒有鉑金屬膜式溫度補(bǔ)償電阻，如圖2所示。溫度補(bǔ)償電阻和熱膜電阻與計內(nèi)部控制電路相連，控制電路與線束連接器插座相連，線束插座設(shè)在計殼體中部。熱膜電阻的阻值比較大，消耗的電流較小，使用壽命較長。但是，由于其發(fā)熱元件表面制作有一層絕緣保護(hù)薄膜，存在輻射熱傳導(dǎo)作用，因此響應(yīng)特性稍差[3]。

2.熱膜式空氣流量計測量原理

2.1空氣流量測量原理

熱膜式AFS測量原理如圖5所示。當(dāng)發(fā)動機(jī)怠速時，其節(jié)氣門關(guān)閉或接近全閉，因此空氣流速低，空氣量少；如果空氣為熱空氣，則空氣溫度越高，空氣密度越小。所以在體積相同的情況下，熱空氣的質(zhì)量小，因此發(fā)熱元件受到冷卻的程度小，阻值減小幅度小，保持電橋平衡需要的電流也小，如圖5（a）所示，故取樣電阻上的信號電壓低。反之，當(dāng)發(fā)動機(jī)負(fù)荷增大時，由于空氣流速快，進(jìn)入的空氣量多，相對來說，空氣為冷空氣，發(fā)熱元件受到冷卻的程度就大，阻值減小幅度大，保持電橋平衡需要的電流也大，如圖5（b）所示，故取樣電阻上的信號電壓高。控制單元ECU根據(jù)信號電壓即可計算出空氣量。

a 怠速或熱空氣時 b 負(fù)荷增大或冷空氣時

圖5 熱膜式AFS測量原理

2.2溫度補(bǔ)償原理

當(dāng)進(jìn)氣溫度變化時，發(fā)熱元件的溫度就會發(fā)生變化，測量進(jìn)氣量的精度就會受到影響。設(shè)置溫度補(bǔ)償電阻（溫度計）后，從電橋電路上可以看出，當(dāng)進(jìn)氣溫度降低使發(fā)熱元件上的電流增大時，為了保持電橋平衡，溫度補(bǔ)償電阻上的電流相應(yīng)增大，以保證發(fā)熱元件溫度與溫度補(bǔ)償電阻之差保持恒定，使流量計測量精度不受進(jìn)氣溫度變化的影響。

3.結(jié)語

熱膜與進(jìn)氣流的溫度差，在流量計可保持120℃恒定?？諝饬鬟^時所需的加熱電流即為流過的空氣質(zhì)量的度量。由于測定的加熱電流無需校正，它可以直接作為進(jìn)入空氣的質(zhì)量流量，故測量的誤差較小，可保證±2%的范圍內(nèi)。為了保證進(jìn)氣流動均勻地流入進(jìn)氣測量管中，在流量計的入口處的防護(hù)柵格可減少流量計中的熱膜受污，也可使熱膜式傳感器減少機(jī)械損傷。這種空氣質(zhì)量流量計的流量量程比約為1：60。設(shè)計要求在最大流量計測時，進(jìn)氣壓力的損失不能減小發(fā)動機(jī)的充氣效率。由于熱膜式流量計能滿足精度要求，且結(jié)構(gòu)簡單，抗沾污能力強(qiáng)，價格便宜，因此在汽車上應(yīng)用較多。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃修銅，王婷旺，楊文濤，王鮮.基于PIC單片機(jī)的熱膜式空氣流量計設(shè)計[J].傳感器世界，2013.11.

[2]司景萍，高志鷹.汽車電器及電子控制技術(shù)[M].北京大學(xué)出版社，2012.

[3]李礦理，武文.汽車電器電子裝置檢修圖解[M].金盾出版社，2008.