摘  要： 為提高轎車燃油經濟性、動力性以及排放清潔性，必須嚴格控制發動機電控燃油噴射系統混合氣的空燃比，則必須對進氣流量進行測量。本文介紹了一種卡門式渦流空氣流量計進氣阻力小、體積小、重量輕、反應靈敏、壓力損失低、脈動氣流測量精度高、測量范圍廣的。
關鍵字： 卡門漩渦；空氣流量計；光學；超聲波

一、前言

在轎車的電控燃油噴射系統（EFI）中，在進氣通道上安裝有空氣流量計。它的作用是測量進入發動機氣缸內的空氣量，以便給發動機的電控單元（ECU）提供數據，使ECU嚴格地控制混合氣的空燃比，即控制噴油器的噴油量，達到提高轎車燃油經濟性、動力性以及排放清潔性的目的。

測量進氣量常用的空氣流量計有卡門旋渦式空氣流量計、翼片式空氣流量計、熱線式空氣流量計、熱膜式空氣流量計。翼片式空氣流量計結構簡單、可靠性高，但進氣阻力大，響應較慢且體積大；熱線式空氣流量計無運動部件，工作可靠，響應快，但缺點是易受吸入氣體脈動影響，在流速分布不均時誤差較大，且易斷絲；熱膜式空氣流量計的工作原理和熱線式空氣流量計類似，但熱膜式傳感器不使用白金線作為熱線，而是將熱線電阻、補償電阻等用厚膜工藝制作，在同一陶瓷基片上，使發熱體不直接承受空氣流動所產生的作用力，從而增加了發熱體的強度，不但使空氣流量計的可靠性進一步提高，也使誤差減小，性能更好，但仍然存在著流速分布不均時誤差較大的問題。

卡門旋渦式空氣流量計無可動部件，具有無磨損、進氣阻力小、體積小、重量輕、反應靈敏、壓力損失低、脈動氣流測量精度高、測量范圍廣、便于安裝和維護，等優點。唯一缺點是成本較高，多用在高檔轎車上。

二、卡門旋渦空氣流量計

1、卡門旋渦原理

所謂卡門旋渦，是指在流體中放置一個圓柱狀或三角狀物體時，在這一物體的下游就會產生的兩列旋轉方向相反，并交替出現的旋渦，（圖1）。當滿足h/l=0.281時，兩列旋渦是穩定的。

對于圓柱體，設單列旋渦產生的頻率為f，則有：

式中，St—斯特勞哈爾數；
d—圓柱體直徑（mm）；
ν—流體流速（m/s）；
β—直徑比，β=d/D，D為管道直徑。

若管道面積為A，由式（1）可知，流體的體積流量qv為：

對于三角狀物體，其平均邊長為d，則流體的體積流量qv為：

對于一臺具體的卡門旋渦空氣流量計，有如下關系式：

式中qv—空氣流量；
f—單列旋渦產生的頻率；
k—比例常數，它與管道直徑、圓柱體直徑等有關。

由式（4）可知，體積流量與卡門旋渦流量計的輸出頻率成正比。利用這一原理，對于一臺具體的卡門旋渦空氣流量計，只要檢測卡門旋渦的頻率，就可以求出空氣流量。

根據旋渦頻率的檢測方式的不同，汽車用渦流式空氣流量計分為超聲波檢測式和光學式檢測式兩種。例如，豐田凌志LS400型轎車和皇冠3.0型轎車采用了光電檢測渦流式空氣流量計；日本三菱吉普車、中國長風獵豹吉普車和韓國現代轎車采用了超聲波檢測渦流式空氣流量計。

2、卡門旋渦空氣流量計的工作原理

（1）光學式卡門旋渦空氣流量計

光學式卡門旋渦空氣流量計的工作原理如圖2所示。這種空氣流量計主要由管路、旋渦發生器、整流柵、導孔、反光鏡（金屬箔）、板彈簧、發光二極管（LED）、光敏晶體管等部分組成。發光二極管作為光源使用，而光敏三極管為光電轉換元件。

光學式卡門旋渦空氣流量計的工作原理是：在產生卡門旋渦的過程中，旋渦發生器兩側的空氣壓力會發生變化，通過導孔作用在金屬箔上，從而使其振動，發光二極管的光照在振動的金屬箔上時，光敏三極管接收到的金屬箔上的反射光是被旋渦調制的光，其輸出經解調得到代表空氣流量的頻率信號。

（2）超聲波式卡門旋渦空氣流量計工作原理

超聲波式卡門旋渦空氣流量計的工作原理與光學式卡門旋渦空氣流量計的工作原理大致相同，只是光學元件換成了聲學元件，其原理如圖3所示。

工作原理：在旋渦發生器下游管路兩側相對安裝超聲波發射探頭1和超聲波接收探頭8，超聲波發射探頭1不斷向超聲波接收探頭8發出一定頻率（一般為40kHz）的超聲波，當超聲波通過進氣氣流到達超聲波接收器時，由于受到卡門渦流對空氣密度的影響，就會使超聲波從發射探頭到接收探頭的時間較無旋渦時變晚而產生相位差。集成控制電路對此相位信號進行處理，根據相位或相位差的變化情況計量出渦流的頻率，就可得到旋渦脈沖信號（渦流頻率信號），即代表體積流量的電信號，該信號輸入ECU后，ECU就可以計算出進氣量。

這種超聲波式卡門漩渦空氣流量計的傳感器部分可分為發射探頭和接收探頭兩部分，二者都是利用壓電材料制成的。其中發射探頭是利用壓電材料的逆壓電效應制作的，即當對其通以超聲電信號時，它會產生機械波向外發射；而接收探頭是利用壓電材料的正壓電效應制作的，即當外力（即發射探頭發出的機械波）作用在該材料上時，它會產生電荷（電信號）輸出。，對此信號進行處理，就可得到旋渦脈沖信號，即代表體積流量的電信號，ECU由此計算出進氣量。

3、卡門旋渦空氣流量計的注意事項

在使用過程中，卡門旋渦空氣流量計內部電路一旦被檢測發現有故障，一般是不進行修復的，而是直接更換新的。

4、卡門旋渦空氣流量計故障案例及解決方案

在對電控轎車進行故障診斷的過程中，常常會出現因為空氣流量計的故障而導致轎車不能正常行駛的案例。

案例1，一輛豐田皇冠3.0型轎車，用戶反映該車在行駛過程中換擋時發動機轉速表指針會上下波動，當發動機轉速在4000r/min時，車速只能達到100km/h。根據這個情況進行檢查，發現是變速器不能正常換擋。針對變速器的這個故障，利用故障診斷儀對變速器的電控系統進行檢測，沒有發現系統中存在任何故障記憶；然后對變速器進行全面檢查分析，沒發現問題，最后根據維修經驗判定是發動機輸出動力不足造成的，而導致該車換擋時發動機轉速波動的主要原因是混合氣時濃時稀，經過一系列檢查后，發現是該車所用的光電式卡門旋渦空氣流量計內部電子線路損壞。在更換空氣流量計后，故障排除。

案例2，一輛凌志LS400轎車高速闖車。發動機在原地加速時運轉正常。當汽車行駛速度在120～140km/h左右時，汽車會出現闖動的現象，有時闖動頻繁，有時只是偶爾闖動，感覺好像是發動機間歇斷火。經診斷發現該故障是該車的卡門旋渦空氣流量計高速時有時信號輸出不正常所致。

三、結論

卡門旋渦式空氣流量計無可動部件，具有無磨損、進氣阻力小、體積小、重量輕、反應靈敏、壓力損失低、脈動氣流測量精度高、測量范圍廣、便于安裝和維護，等優點。在高檔轎車上得到廣泛應用。

參考文獻：
[1]楊慶彪，豐田車系新電器[M]，北京：中國勞動社會保障出版社，2008.
[2]婁云，汽車電子控制技術[M]，北京：科學出版社，2009.