汽车空气供给系统组成

空气供给系统的功用是尽可能多地和尽可能均匀地向各缸提供可燃混合气或纯净空气。空气供给系统主要由空气滤清器、进气歧管压力传感器（D 型）或空气流量计（L 型）、节气门、节气门位置传感器、进气总管、进气歧管等组成。其中进气温度传感器和怠速控制系统的怠速控制阀也安装在空气供给系统中，L 型空气供给系统如图4.1 所示，D 型空气供给系统如图4.2所示。

图4.1　L 型空气供给系统

图4.2　D 型空气供给系统

汽车在行驶时，空气流量一般由节气门来控制，节气门由加速踏板控制。踩下加速踏板，节气门打开，进入的空气量多。怠速时，节气门关闭或微开，空气由节气门（节气门直动式）或旁通气道（旁通空气道式）通过。怠速空气量的调整一般由ECU 控制，在气温低、发动机需要暖机时，发动机转速较正常怠速高，称为快怠速。随着发动机温度的升高，怠速空气量逐渐减小，发动机转速逐渐降至正常怠速。

（1）空气滤清器

1）空气滤清器的功用

燃油燃烧需要大量的空气，以普通轿车为例，每消耗1 L 汽油需要消耗5 000～100 00 L 空气，如此多的空气进入汽缸，如果不将其中的杂质或灰尘滤除，必然加剧汽车的磨损，缩短发动机的使用寿命。实践证明，若发动机不装空气滤清器，活塞磨损量将增加约3 倍，活塞环磨损量增加约9 倍，发动机寿命缩短2/3。空气滤清器的功用是滤除空气中的杂质或灰尘，让洁净的空气进入汽缸，另外，空气滤清器还有降低进气噪声的作用。

2）空气滤清器的结构组成

空气滤清器一般由进气导流管、空气滤清器盖、空气滤清器外壳和滤芯等组成。如图4.3所示为捷达轿车发动机空气滤清器的解体图。

空气滤芯一般由细钢丝支撑折状滤纸，丝网不仅可以提高滤纸的轻度，还可以滤除较大的尘粒。在滤清器的两端一般都有类似塑料的厚衬垫，可提高滤芯强度，并将滤芯密封在壳体中。如果滤芯在壳体中密封不良，尘粒就会随气流进入汽缸。

图4.3　捷达轿车发动机空气滤清器的解体图

1—空气滤清器盖；2—密封圈；3—空气流量计；4—滤芯；5—空气滤清器壳体

发动机的滤芯通常为圆筒状或扁平状，现代轿车为了节省空间往往采用扁平状空气滤芯。滤芯的形状和尺寸取决于空气滤清器的壳体，滤芯的尺寸必须与壳体尺寸匹配，否则灰尘就会被吸入汽缸。

（2）空气流量计

1）空气流量计的功用

空气流量计又称为空气流量传感器，是发动机电控系统非常重要的传感器之一。其功用是检测发动机进气量的大小，并将进气量信号转换成电信号输入ECU，ECU 再根据发动机的空气量控制基本喷油量。

2）空气流量计的安装位置

空气流量计安装在空气滤清器上或空气滤清器后的进气管上。

3）空气流量计的类型结构

空气流量计主要分为热线式空气流量计、卡门旋涡式空气流量计和翼板式空气流量计3种，其中热式空气流量计应用比较广泛，又可分为热线式空气流量计和热膜式空气流量计。这里主要介绍热线式空气流量计的结构。

①热线式空气流量计的构造及工作原理。

热线式空气流量计的构造如图4.4 所示。它主要由铂丝制成的热线、温度补偿电阻、控制热线电流并输出信号的控制电路、采样管和流量计壳体等组成。热线式空气流量计的前后端都装有防护网，前端的防护网用于进气整流，后端的防护网用于防止发动机回火时把铂丝烧掉。防护网用卡箍固定在壳体上，铂丝和进气温度传感器都安装在主气道采样管内的流量计，称为主流测量式空气流量计；铂丝绕在陶瓷芯管上，并置于气道内的流量计，称为旁通测量式空气流量计。热线式空气流量计的控制电路中设有“自洁电路”，可实现自洁功能。

热线式空气流量计的工作原理，如图4.5 所示，热线电阻RH以铂丝制成，RH和温度补偿电阻RK均置于空气通道中的采样管内，与RA、RB共同构成惠斯顿电桥。RH、RK阻值均随温度变化。当空气流经RH时，热线温度发生变化，电阻减小或增大，使惠斯顿电桥失去平衡。若要保持惠斯顿电桥平衡，就必须使热线电阻的电流发生改变，以恢复其温度与阻值，RA电阻两端的电压也相应改变，并且该电压信号作为热线式空气流量计输出的电压信号送往ECU。

热线式空气流量计具有响应速度快、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。但也存在价格较高，热线表面易受空气中的尘埃沾污，从而影响精度。当空气流速分布不均匀时也会产生误差，发动机回火易造成断线等缺点。

图4.4　热线式空气流量计的结构简图

1—金属防护网；2—测试管；3—铂热丝；4—温度补偿电阻；5—控制电路板

图4.5　热线式（热模式）空气流量计的工作原理

热线式空气流量计的自洁功能。为了克服热线式空气流量计易被沾污的缺陷，电控系统中设有热线自洁电路。每当ECU 接收到发动机熄火的信号时，ECU 将控制“自洁电路”接通，把铂丝加热到1 000 ℃以上，并持续1 s 将黏附在铂丝上的粉尘烧掉。

热线式空气流量计用于别克、日产MAXIMA、沃尔沃等品牌。

②热膜式空气流量计的构造及工作原理。

热膜式空气流量计的结构，如图4.6 所示。其核心部件流量传感元件和热电阻组合在一起构成热膜电阻。在传感器内部的进气道上设有一个矩形护套，相当于采样管，热膜电阻设在防护套中。为了防止污物沉积到热膜电阻上影响测量精度，在防护套空气入口一侧设有空气过滤层，用以过滤空气中的污物。为了防止进气温度变化影响测量精度，在防护套内设有铂膜式温度补偿电阻，温度补偿电阻设置在热膜电阻前靠近空气入口一侧。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，线束插座设在传感器壳体中部。

图4.6　热膜式空气流量计的结构简图

热膜式空气流量计的工作原理与热线式空气流量计的工作原理基本相同，热膜式空气流量计不用铂丝作为热电阻，而是将铂电阻、温度补偿电阻等用厚膜工艺制作在一个陶瓷基片上，从而简化结构，降低制造成本。由于发热体不直接承受空气流动作用力，从而增加了发热体的强度，使空气流量计的可靠性提高，使用寿命延长，且不易被尘埃玷污，比热线式性能更好。热膜式空气流量计的主要缺点是空气流速不均易影响测量精度。

采用热膜式空气流量计的国产轿车有上海大众的桑塔纳2000 型时代超人、帕萨特和一汽的红旗、捷达王等。

③叶片式空气流量计的构造及工作原理。

缓冲片：缓冲室内空气对缓冲片的阻尼作用，使翼片转动平稳。

旁通空气调节螺钉：调节怠速时旁通空气量的大小，从而调节怠速混合气的成分。

电位计：将翼片转动的角度转换为电信号。

叶片式空气流量计的电压输出形式有两种：一种是电压值US随进气量的增加而降低；另一种则是电压值US随进气量的增加而升高，如图4.7 所示。

图4.7　叶片式空气流量计的结构原理简图

④卡门旋涡式空气流量计。

卡门旋涡原理：流体流过涡流发生体时，流体会产生系列旋涡，且旋涡频率与流体流速成正比。

卡门旋涡式空气流量计按照检测方式不同，可分为反光镜检测方式的卡门旋涡式空气流量计和超声波检测方式的卡门旋涡式空气流量计两种。

如图4.8 所示为反光镜检测方式的卡门旋涡式空气流量计结构图及输出脉冲信号波形，这种卡门旋涡式空气流量计是把卡门旋涡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，反光镜一边振动，一边将发光二极管射来的光反射给光电晶体管，这样旋涡的频率在压力作用下转换成镜面的振动频率，镜面的振动频率通过光电耦合器转换成脉冲信号。

如图4.9 所示为超声波检测方式的卡门旋涡式空气流量计结构图，这种空气流量计是利用卡门旋涡引起的空气疏密度变化进行测量的，用接收器接收连续发射的超声波信号，因接收到的信号随空气疏密度的变化而变化，由此可测得旋涡频率，从而测得空气流量。

图4.8　反光镜检测方式的卡门旋涡式空气流量计结构图

图4.9　超声波检测方式的卡门旋涡式空气流量计结构图

（3）进气绝对压力传感器

进气绝对压力传感器安装在进气总管上，它根据发动机负荷测出进气歧管中绝对压力的变化，将其转换成电压信号输送到ECU，ECU 再根据发动机转速、节气门开度、进气管绝对压力传感器与进入发动机汽缸的空气流量的对应关系，由进气管内的绝对压力计算出进气量，进而计算出基本喷油量。这种测量空气流量的方式称为间接测量方式。

进气绝对压力传感器的种类很多，根据信号产生的原理不同，可分为半导体压敏电阻式、电容式、膜盒传动的可变电感式和表面弹性波式等类型。其中，半导体压敏电阻式绝对压力传感器应用较广泛。

半导体压敏电阻式绝对压力传感器是利用半导体压阻效应制成的一种测压传感器。其基本结构如图4.10 所示，由真空室和压力转换元件、滤清器和混合集成电路等构成。真空室为传感器所测的绝对压力提供一个基准压力（0 气压）。

图4.10　半导体压敏电阻式绝对压力传感器结构

1—滤清器；2—塑料外壳；3—过滤器；4—混合集成电路；5—压力转换组件

压力转换组件由单晶硅制成，长和宽约为3 mm，厚度约为160 μm。其中央部位用腐蚀方法制作一个直径约2 mm，厚约50 μm 的硅薄膜片和圆形薄膜表面用微加工和台面扩散技术形成4 个压敏电阻在硅薄膜连接成惠斯顿电桥，其组成如图4.11 所示。硅膜片布置在测压通道末端，把真空室和测压通道分隔开来。测压通道通过软管与进气歧管相连，把进气歧管内的进气压力引到硅薄膜片上。在气体压力的作用下，硅薄膜发生拱曲变形，同时引起硅薄膜片的压敏电阻值发生相应变化。由于电桥桥臂电阻值的变化，破坏了电桥平衡，在惠斯顿电桥的输出端就会形成电桥电压，该电压的高低与进气绝对压力的大小相对应。

图4.11　半导体压敏电阻式绝对压力传感器的工作原理

UO—输出；UB—电源；GND—搭铁；1—硅膜片

混合集成电路主要由放大电路和温度补偿电路组成。其作用是对电桥输出电压信号进行放大，随温度变化对偏置电压进行修正，以保证在一定的温度范围内，传感器的输出电压与进气歧管绝对压力一一对应。总之，进气歧管压力越高（真空度越低）→硅膜片变形越大→应变电阻变化越大→电信号放大输出给发动机ECU。

半导体压敏电阻式绝对压力传感器具有尺寸小、精度高、成本低、响应速度快、重复性和耐振性好；输出信号与进气歧管绝对压力呈线性关系；在30～100 ℃使用温度范围内，测量精度基本不受温度的影响，其输出特性曲线如图4.12 所示。

图4.12　半导体压敏电阻式绝对压力传感器输出特性曲线图

采用半导体压敏电阻式绝对压力传感器的轿车有上海通用的赛欧和凯越、一汽大众奥迪、二汽的富康、广州的本田雅阁等。

（4）节气门位置传感器

节气门位置传感器安装在节气门体上，用来检测节气门的开度及变化速率，将节气门开度转换成电压信号输出，控制基本喷油嘴。节气门位置传感器有线性式输出型和开关式输出型两种类型。

1）线性式节气门位置传感器

线性式节气门位置传感器采用线性可变电阻，如图4.13（a）所示，由节气门轴带动可变电阻的滑动触点，在不同节气门开度下，接入回路的电阻是不同的，如图4.13（b）所示。ECU 给传感器提供+5 V 的电压，线性输出节气门位置传感器将节气门开度转换成电压信号输送给ECU。ECU 再根据节气门开度和开启速率判定发动机的运行工况。线性输出节气门位置传感器输出信号在自动变速器上还可作为换挡条件的主要依据。有些节气门位置传感器上还有怠速触点（IDL）用于检测发动机工况，IDL 信号输出高电平，说明发动机处于怠速运行工况。

节气门位置传感器除了作为负荷信号外，其变化率还可作为判断发动机加速和减速的信号。

图4.13　线性式节气门位置传感器的结构原理

2）开关式节气门位置传感器

开关式节气门位置传感器仅以开（ON）和关（OFF）两种状态表达节气门开度，又称为节气门开关。其结构如图4.14（a）所示。这种节气门位置传感器由节气门轴联动的凸轮、动触点、怠速触点、满负荷触点、凸轮槽等组成。动触点与电脑电源相接，当节气门全关闭时，怠速触点与动触点接通，发动机处于怠速状态；当节气门开度达50%以上时，满负荷触点与动触点接触接通，发动机处于大负荷状态；当节气门开度小于50%时，动触点悬空，发动机处于中小负荷状态。由此，ECU 可根据怠速触点与满负荷触点提供的信号判断节气门位置，以便对发动机进行喷油量控制或自动变速器换挡控制。

节气门从全闭到全开的过程，传感器输出信号的变化如图4.14（b）所示。

这种节气门具有结构简单、价格低廉、工作可靠等优点，但对发动机加速工况的检测不如线性式节气门位置传感器。

图4.14　开关式节气门位置传感器

1—连接器；2—动触点；3—全负荷触点；4—怠速触点；5—控制臂；6—节气门轴；7—凸轮；8—槽

3）节气门位置传感器常见故障及对发动机的影响

节气门位置传感器的常见故障主要有触点接触不良、可变电阻腐蚀等。这些故障会影响发动机的怠速和加速性能，造成发动机怠速不稳或无怠速，加速性变差或加速性时好时坏等。

（5）进气温度传感器

进气温度传感器的功能是检测进气温度，并将温度信号转换为电信号输入电控单元。进气温度信号是多种控制功能的修正信号，包括燃油脉宽、点火正时、怠速控制和尾气排放等。进气温度传感器一般安装在进气管上，也可安装在空气滤清器外壳上。

进气温度传感器结构如图4.15 所示。进气温度传感器一般采用负温度系数热敏电阻式。电阻值高时，表示进气温度低，空气密度大，需要较多喷油量；反之，则需要较少喷油量。

图4.15　进气温度传感器结构

1—壳体；2—填料；3—接线端子；4—引线；5—热敏元件；6—绝缘管

进气温度传感器是双线传感器，与发动机ECU 的连接如图4.16 所示。若进气温度传感器本身或其线路故障，将导致发动机启动困难、怠速不稳、废气污染物增加等。

图4.16　进气温度传感器电路

（6）冷却水温度传感器

冷却水温度传感器安装在发动机缸体或缸盖的水套上，与冷却水接触用来检测发动机的冷却水温度。冷却水温度传感器的内部是一个半导体热敏电阻，具有负的温度电阻特征系数。水温越低，电阻越大；反之，水温越高，电阻越小。

水温传感器的两根导线都和电控单元相连。其中一根为地线，另一根对地电压随热敏电阻阻值的变化而变化。电控单元根据这一电压的变化测得发动机冷却水的温度，与其他传感器产生的信号一起，用来确定喷油脉冲宽度、点火时刻等。

冷却水温度传感器工作原理和进气温度传感器相同。