數(shù)學(xué)通道的應(yīng)用(十三)-渦輪增壓發(fā)動機(jī)空氣流量實(shí)際值

在數(shù)學(xué)通道的應(yīng)用系列九中，我們介紹了計算MAF理論值的過程，今天我想使用相關(guān)公式來計算渦輪增壓發(fā)動機(jī)的MAF實(shí)際值。本次案例介紹的發(fā)動機(jī)是四缸BMW114i N13，轉(zhuǎn)速在4000 rpm時馬力數(shù)為102。要確定MAF實(shí)際值，我們需要先計算出發(fā)動機(jī)的容積效率（VE）。

在擁有100％VE的理想情況下，該發(fā)動機(jī)應(yīng)消耗的空氣流量約為102 gm / sec。這是從發(fā)動機(jī)的輸出功率得出的：最大功率102PS（4000rpm）。假設(shè)VE為100％，則MAF=102 PS *1.0=102gm/sec（1.0為100％，用十進(jìn)制表示：100％/ 100 = 1.0）。

VE為100％時計算得出的是進(jìn)入該發(fā)動機(jī)最大氣流的近似值。實(shí)際上，VE實(shí)際值在80％到90％左右，并且還會受到多種變量影響，比如進(jìn)氣口和排氣口的長度/直徑、渦輪增壓器負(fù)載（排氣側(cè)）、氣門升程、氣門正時以及氣門持續(xù)時間等等。需要注意的是，本例中的發(fā)動機(jī)具有VVT、VVT-L（進(jìn)氣門）和渦輪增壓器，這些變量對VE的影響已經(jīng)很多了。

因此，計算MAF峰值時應(yīng)假設(shè)VE為80%，公式如下:102 PS*0.8 = 81.6gm/sec。
公式也可以逆推計算出發(fā)動機(jī)功率：測得的峰值氣流（gm / sec）/ 0.8=發(fā)動機(jī)功率81.6(gm/sec)/0.8=102PS。

這些經(jīng)驗(yàn)公式只能在診斷發(fā)動機(jī)運(yùn)行問題時用來計算理論MAF或者功率。要計算任一給定發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下（此處我們使用4000 rpm，最大功率）的MAF值，我們需要采集到進(jìn)氣歧管壓力信號。為此，我們可以使用自定義探針，但是如果沒有WPS500X，我們需要了解進(jìn)氣歧管絕對壓力傳感器（MAP）的輸出特性。經(jīng)過數(shù)小時的研究，我認(rèn)為圖1中的輸出特性和我們的Bosch MAP傳感器0 261 230 253（DS-S3 3線制傳感器）完全匹配。

圖1 MAP輸出特性

圖2 MAP參數(shù)

根據(jù)圖2中的數(shù)據(jù)，我們知道：傳感器電源電壓5.0 V；傳感器標(biāo)稱電壓為0.5 V；傳感器電壓測量范圍是0.5 V～4.5 V；0.5 V至4.5 V使用0 V至5 V電源電壓的80％/100 = 0.8；傳感器壓力測量范圍2.05 bar。

壓力測量范圍推導(dǎo)如下：傳感器測量壓力范圍是0.15bar～2.2bar（1bar=大氣壓）。0.15bar（傳感器最小值）低于大氣壓0.85bar，2.2 bar（傳感器最大值）是指傳感器高于大氣壓1.2bar，因此測量范圍時0.85+1.2=2.05 bar。
要確定傳感器的斜率，我們使用以下公式：傳感器電壓測量范圍*電壓供應(yīng)/傳感器壓力測量范圍傳感器傾斜度=0.8*5.0 / 2.05 = 1.951
為了將傳感器輸出以1 V為基準(zhǔn)，因?yàn)?/1.951=0.512bar。所以傳感器輸出遵循以下規(guī)則：1 V=0.512bar，由于該傳感器具有線性輸出，因此2 V將等于1.024 bar，而3 V將等于1.536 bar，依此類推。要自定義探針以將MAP傳感器電壓顯示為物理壓力，我們使用線性方程式：y=0.512x+0。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，您也可以用掃描工具來記錄MAP，同時使用上面創(chuàng)建的自定義探針通過示波器捕獲MAP傳感器輸出波形。在點(diǎn)火開關(guān)關(guān)閉且發(fā)動機(jī)關(guān)閉的情況下，掃描工具和示波器都應(yīng)顯示約1 bar（大氣壓）。

掃描工具可以使用真空表或壓力計，在這種情況下，您在MAP傳感器上施加特定壓力后，能夠同時比較示波器和掃描工具上的值。根據(jù)掃描工具記錄的數(shù)據(jù)，將這些值輸入到查詢表中，也可以自定義探針，繪制與施加壓力相關(guān)的MAP傳感器輸出電壓波形。

通道A（增壓壓力傳感器）和通道B（MAP傳感器）使用上述線性方程式自定義探頭，兩個傳感器具有相同的輸出特性，因此適用于相同的線性方程式。增壓壓力傳感器（節(jié)氣門/后中冷器）的部件號是0 261 230 252（DS-S3-TF 4線傳感器），第4根線將進(jìn)氣溫度數(shù)據(jù)提供給PCM。其他通道采集相關(guān)信號，以協(xié)助進(jìn)行MAF計算。

圖3 原始數(shù)據(jù)

在圖3的波形中，我們在水平路面上踩油門踏板（節(jié)氣門處于活動狀態(tài)）捕獲車輛在二檔的加速度，一直加速到發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到4000 rpm。

請注意，通道E（紫色）測量的是節(jié)氣門傳感器，信號電壓隨著節(jié)氣門開度的增加而降低。為了便于解釋，我使用了數(shù)學(xué)通道“ -E ”來反轉(zhuǎn)該通道。（只需在任何通道字母之前添加減號，就會反轉(zhuǎn)您選擇的通道）?？梢杂脭?shù)學(xué)通道LowPass（freq（C），50）根據(jù)通道C上的曲軸信號計算發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，以及用數(shù)學(xué)通道freq（D）計算MAF的流速。要計算增壓壓力傳感器和MAP傳感器之間的壓力差，我們使用內(nèi)置的數(shù)學(xué)通道：A-B。

在這里，我們可以從理論上檢測出可能的漏氣問題或進(jìn)氣異常，如果節(jié)氣門打開，則增壓壓力應(yīng)約等于進(jìn)氣歧管壓力。根據(jù)下圖我們可以分析到，在松開油門踏板那一瞬間，壓差微乎其微（62.41 mbar）。之后，增壓壓力在節(jié)氣門部分關(guān)閉時突然達(dá)到峰值，進(jìn)氣歧管壓力驟減。

圖4 各個波形

計算MAF（帶渦輪增壓器）：

在帶有電子節(jié)氣門的BMW N13發(fā)動機(jī)上，在水平路面行駛時掛二檔踩油門加速到4000rpm。

掃描工具和示波器同時捕獲數(shù)據(jù)。

通過掃描工具所捕獲的數(shù)據(jù)，我們獲得了以下結(jié)果：

MAF：268 kg / h（74.44 gm / sec）

發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速：3998 rpm

進(jìn)氣歧管壓力：1267 mbar

節(jié)氣門信號電壓：2.5 V

增壓壓力：（節(jié)氣門之前）1286 mbar

VE根據(jù)掃描工具數(shù)據(jù)計算得出：VE=74.44 / 102=72.98％（四舍五入為73％）

計算MAF（渦輪增壓發(fā)動機(jī)）的基本數(shù)據(jù)有：①發(fā)動機(jī)容量（升）②發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速（RPM）③歧管絕對壓力（bar）④容積效率（％以十進(jìn)制表示）等式為：發(fā)動機(jī)容量（1.6）*VE（使用74.44 gm / sec = 0.73得出）*3998 rpm*1.267 bar /2=MAF （L / min）1.6*0.73*3998 rpm*1.267 / 2=2958.232 L / min15攝氏度左右的海平面上空氣密度為1.223g / L2958.232 L / min*1.223gm/L= 3617.918 gm / min3617.918 gm / min / 60 = 60.30gm / sec（使用根據(jù)掃描工具數(shù)據(jù)計算出的VE）要用PicoScope軟件繪制氣流波形 ，我們可以將以下各個VE值代入到數(shù)學(xué)通道中：

VE=73%，掃描工具計算得出

VE=80％，典型平均值

VE=100％，以獲得理論最大氣流

如果我們使用根據(jù)掃描工具計算得出的VE取73%，則數(shù)學(xué)通道如下：LowPass（freq（C），50）*（1.6 * 0.73）* B / 2 * 1.223 / 60=MAF@73％VE（空氣密度為1.223 gm / L）；如果我們VE取100％，則數(shù)學(xué)通道將更改為LowPass（ freq（C），50）*（1.6）* B / 2 * 1.223 / 60=MAF@100％VE（空氣質(zhì)量為1.223 gm / L）。在以下波形中可以看到圖形化的氣流：

圖5 不同VE值下的MAF

如圖5所示，數(shù)學(xué)通計算出的MAF值與掃描工具得出的MAF值 268 kg / h（74.44 g / sec）不一致！在73％VE下，數(shù)學(xué)通道MAF峰值達(dá)到60.81 gm / sec；在100％VE下，數(shù)學(xué)通道MAF峰值為83.37 gm / sec；如果VE=80％，則數(shù)學(xué)通道MAF峰值約為66.88 gm / sec。

其中一個因素是掃描工具采集時所對應(yīng)的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，因?yàn)槲覀儫o法確定參數(shù)之間的準(zhǔn)確性和相關(guān)性。使用掃描工具，我們獲得的是數(shù)據(jù)的瞬時值，例如“發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、MAF以及油門位置”。掃描工具測得的氣流（268 kg / h）可能與某一瞬時發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速高于3998 rpm有關(guān)！這是一個真實(shí)存在的問題，因?yàn)槿绻覀兪褂?68 kg / h來計算VE，這個數(shù)值之后會代入到數(shù)學(xué)通道中影響計算。當(dāng)然這只是要考慮的其中一個變量，也正是如此，此類數(shù)學(xué)通道中VE取80％（平均值）或100％更準(zhǔn)確。另一個要考慮的變量是自定義探針設(shè)置出錯（比如MAP傳感器輸出特性，圖1和2的采集數(shù)據(jù)表不準(zhǔn)確）。我不是百分百確信數(shù)據(jù)表適用于零件號為0 261 230 253的傳感器，但示波器采集的進(jìn)氣歧管壓力數(shù)據(jù)確實(shí)和掃描工具相匹配。要避免此變量影響，可以在進(jìn)氣歧管中裝一個WPS500X測實(shí)際壓力，就無需通過PCM / Scan工具或自定義探頭進(jìn)行處理了。假設(shè)我們使用的是電子節(jié)氣門發(fā)動機(jī)，但是在斷開電子節(jié)氣門執(zhí)行器的情況下進(jìn)行了相同的（最大功率）路試，以對比MAF變化。這意味著發(fā)動機(jī)可以通過節(jié)氣門進(jìn)行常規(guī)的進(jìn)氣控制，并且氣門升程固定（設(shè)置為最大值）。通過掃描工具所捕獲的數(shù)據(jù)，我們獲得了以下結(jié)果：MAF：263 kg / h（73.05 g / sec）發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速：3999 rpm進(jìn)氣歧管壓力：1249 mbar節(jié)氣門信號電壓：1.8 V增壓壓力：（節(jié)氣門之前）1255 mbarVE根據(jù)掃描工具數(shù)據(jù)計算得出：VE = 73.05 / 102 = 71.61％。這個統(tǒng)計數(shù)據(jù)出乎我的意料，我以為電子節(jié)氣門處于活動狀態(tài)時，其氣流會大于非活動狀態(tài)。最大功率下，VE在兩種情況下的數(shù)值幾乎沒有差異。仔細(xì)思考這個問題會發(fā)現(xiàn)，其實(shí)在WOT時（或者說PCM確定油門踏板的位置時），由于智能模式，兩種運(yùn)行條件下（VT活動/非活動）的氣流都相似于節(jié)流閥控制下的氣流。在VT激活的情況下，通過節(jié)流閥位置和進(jìn)氣門升程的巧妙組合變化來控制氣流。在VT處于非活動狀態(tài)時，進(jìn)氣門默認(rèn)為最大升程，因此，氣流僅由節(jié)流閥的位置控制。與圖5的波形相比，請看圖6捕獲波形中節(jié)流閥的位置。VT處于活動狀態(tài)時，節(jié)氣門位置信號電壓為2.5 V，VT處于非活動狀態(tài)時，電壓為1.8V。需要注意的是，這里的TPS2信號電壓隨著節(jié)氣門開度的增加而降低。當(dāng)VT處于非活動狀態(tài)時，節(jié)氣門開度更大。

圖6 節(jié)氣門前后壓差

根據(jù)圖6數(shù)據(jù)，我們可以看到節(jié)流閥在進(jìn)氣歧管（節(jié)氣門后）和進(jìn)氣組件（節(jié)氣門前）之間產(chǎn)生了相當(dāng)大的壓差（由于VT未激活）。好消息是，隨著節(jié)氣門開度的增加，增壓狀態(tài)下的壓差為0 bar。

總而言之，考慮到與進(jìn)氣控制系統(tǒng)相關(guān)的變量眾多，VE和MAF的計算面臨著巨大的挑戰(zhàn)（渦輪增壓器的應(yīng)用更是如此）。但是，我希望上面的公式（包含增壓/歧管壓力）將對此類計算有所幫助。

另外一個值得考慮的問題是MAP的量程，我們之前參考的參數(shù)圖表是否準(zhǔn)確。圖7是該特定車輛的正確OEM編號，我發(fā)現(xiàn)Meat＆Doria 82503壓力傳感器的壓力范圍是38 kpa～260 kpa，量程的不同將造成計算結(jié)果的差異。

圖7 不同的MAP壓力量程

兩個壓力量程的差異也證明了獲取此類數(shù)據(jù)的難度，更重要的是，我們需要對比數(shù)據(jù)的可靠性。下面我們使用新的量程范圍再次計算，首先將kPa轉(zhuǎn)換為bar，我們將壓力值除以100：38/100=0.38bar；260/100=2.6bar。傳感器測量范圍為0.38 bar～2.6 bar（絕對壓力）。0.38 bar（傳感器最小值）低于大氣壓0.62 bar，2.6 bar（傳感器最大值）高于大氣壓1.6bar。因此測量范圍=0.62 + 1.6 = 2.22 bar。

要確定傳感器的傾斜度/斜率，我們使用以下公式：傳感器電壓測量范圍*電源電壓/傳感器壓力測量范圍；傳感器傾斜度=0.8*5.0 / 2.22 = 1.801

為了將傳感器輸出以1 V為基準(zhǔn)，因?yàn)?/1.801=0.555bar。所以傳感器輸出遵循以下規(guī)則：1 V=0.555bar，由于該傳感器具有線性輸出，因此2 V將等于1.11 bar，而3 V將等于1.665bar，依此類推。要自定義探針以將MAP傳感器電壓顯示為物理壓力，我們使用線性方程式：y=0.555x+0。

自定義探針設(shè)置之間的差異意味著進(jìn)氣歧管壓力讀數(shù)將提高大約8％。我認(rèn)為這個例子說明了為什么我們在使用自定義探頭來測歧管壓力的同時，還使用另一個通道捕獲MAP傳感器信號電壓。在這種情況下，我們可以對信號電壓（捕獲后）應(yīng)用數(shù)學(xué)運(yùn)算以獲得修正后的歧管壓力值。在圖8示例中，我使用原始的自定義探頭設(shè)置y=0.512x+0（在通道B上）捕獲了歧管壓力，同時捕獲了歧管壓力傳感器信號電壓（通道A）以及在歧管中連接了WPS500X（通道C）。

圖8 不同的進(jìn)氣歧管壓力值

我們可以看到原始自定義探針（通道B）壓力峰值為1.279 bar，而數(shù)學(xué)通道A*0.555（品紅色）壓力峰值為1.394 bar，此處將修正值0.555代入通道A上的MAP傳感器信號電壓。為了確定兩者的準(zhǔn)確性，WPS500X用于物理測量進(jìn)氣歧管壓力，測得峰值330 mbar（1.330 bar絕對壓力值）。那么這些不同數(shù)值對MAF計算有什么影響呢？

根據(jù)掃描工具數(shù)據(jù)計算得到的VE為73%（在1.394 bar的歧管壓力下處于Valvetronic激活狀態(tài)下）MAF=1.6*0.73*3998rpm*1.394/2=3254.756L / min;3254.756 L / min*1.223 gm / L=3980.567 gm / min;3980.567gm / min / 60=66.34gm / sec由于增壓壓力值變化，該值比最初計算的值大約高8％。如果VE=100％：1.6*3998 rpm*1.394/2=4458.570 L / min；4458.570 L / min*1.223 gm / L=5452.831gm / min；5452.831 gm / min / 60=90.88=gm / sec再次比圖5中VE取100%時的MAF值高8％。