數(shù)學通道的應用(十三)-渦輪增壓發(fā)動機空氣流量實際值

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

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

VE為100％時計算得出的是進入該發(fā)動機最大氣流的近似值。實際上，VE實際值在80％到90％左右，并且還會受到多種變量影響，比如進氣口和排氣口的長度/直徑、渦輪增壓器負載（排氣側）、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)動機具有VVT、VVT-L（進氣門）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峰值時應假設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)動機功率：測得的峰值氣流（gm / sec）/ 0.8=發(fā)動機功率81.6(gm/sec)/0.8=102PS。

這些經(jīng)驗公式只能在診斷發(fā)動機運行問題時用來計算理論MAF或者功率。要計算任一給定發(fā)動機轉速下（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/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，因為1/1.951=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。在點火開關關閉且發(fā)動機關閉的情況下，掃描工具和示波器都應顯示約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根線將進氣溫度數(shù)據(jù)提供給PCM。其他通道采集相關信號，以協(xié)助進行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)動機轉速達到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)學通道“ -E ”來反轉該通道。（只需在任何通道字母之前添加減號，就會反轉您選擇的通道）。可以用數(shù)學通道LowPass（freq（C），50）根據(jù)通道C上的曲軸信號計算發(fā)動機轉速，以及用數(shù)學通道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，我們使用內置的數(shù)學通道：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氣異常，如果節(jié)氣門打開，則增壓壓力應約等于進氣歧管壓力。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)氣門部分關閉時突然達到峰值，進氣歧管壓力驟減。

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)，我們獲得了以下結果：

MAF：268 kg / h（74.44 gm / sec）

發(fā)動機轉速：3998 rpm

進氣歧管壓力：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）的基本數(shù)據(jù)有：①發(fā)動機容量（升）②發(fā)動機轉速（RPM）③歧管絕對壓力（bar）④容積效率（％以十進制表示）等式為：發(fā)動機容量（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)學通道將更改為LowPass（ freq（C），50）*（1.6）* B / 2 * 1.223 / 60=MAF@100％VE（空氣質量為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)學通道MAF峰值達到60.81 gm / sec；在100％VE下，數(shù)學通道MAF峰值為83.37 gm / sec；如果VE=80％，則數(shù)學通道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的發(fā)動機轉速，因為我們無法確定參數(shù)之間的準確性和相關性。使用掃描工具，我們獲得的是數(shù)據(jù)的瞬時值，例如“發(fā)動機轉速、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)動機轉速高于3998 rpm有關！這是一個真實存在的問題，因為如果我們使用268 kg / h來計算VE，這個數(shù)值之后會代入到數(shù)學通道中影響計算。當然這只是要考慮的其中一個變量，也正是如此，此類數(shù)學通道中VE取80％（平均值）或100％更準確。另一個要考慮的變量是自定義探針設置出錯（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，但示波器采集的進氣歧管壓力數(shù)據(jù)確實和掃描工具相匹配。要避免此變量影響，可以在進氣歧管中裝一個WPS500X測實際壓力，就無需通過PCM / Scan工具或自定義探頭進行處理了。假設我們使用的是電子節(jié)氣門發(fā)動機，但是在斷開電子節(jié)氣門執(zhí)行器的情況下進行了相同的（最大功率）路試，以對比MAF變化。這意味著發(fā)動機可以通過節(jié)氣門進行常規(guī)的進氣控制，并且氣門升程固定（設置為最大值）。通過掃描工具所捕獲的數(shù)據(jù)，我們獲得了以下結果：MAF：263 kg / h（73.05 g / sec）發(fā)動機轉速：3999 rpm進氣歧管壓力：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。仔細思考這個問題會發(fā)現(xiàn)，其實在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，進氣門默認為最大升程，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)流閥在進氣歧管（節(jié)氣門后）和進氣組件（節(jié)氣門前）之間產(chǎn)生了相當大的壓差（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，考慮到與進氣控制系統(tǒng)相關的變量眾多，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，因為1/1.801=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。

自定義探針設置之間的差異意味著進氣歧管壓力讀數(shù)將提高大約8％。我認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）應用數(shù)學運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。為了確定兩者的準確性，WPS500X用于物理測量進氣歧管壓力，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％。