數(shù)學(xué)通道的應(yīng)用(十三)-渦輪增壓發(fā)動(dòng)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(jì)算MAF理論值的過程，今天我想使用相關(guān)公式來計(jì)算渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)的MAF實(shí)際值。本次案例介紹的發(fā)動(dòng)機(jī)是四缸BMW114i N13，轉(zhuǎn)速在4000 rpm時(shí)馬力數(shù)為102。要確定MAF實(shí)際值，我們需要先計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)的容積效率（VE）。

在擁有100％VE的理想情況下，該發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)消耗的空氣流量約為102 gm / sec。這是從發(fā)動(dòng)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(shí)計(jì)算得出的是進(jìn)入該發(fā)動(dòng)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(huì)受到多種變量影響，比如進(jìn)氣口和排氣口的長(zhǎng)度/直徑、渦輪增壓器負(fù)載（排氣側(cè)）、氣門升程、氣門正時(shí)以及氣門持續(xù)時(shí)間等等。需要注意的是，本例中的發(fā)動(dòng)機(jī)具有VVT、VVT-L（進(jìn)氣門）和渦輪增壓器，這些變量對(duì)VE的影響已經(jīng)很多了。

因此，計(jì)算MAF峰值時(shí)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(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)功率：測(cè)得的峰值氣流（gm / sec）/ 0.8=發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)運(yùn)行問題時(shí)用來計(jì)算理論MAF或者功率。要計(jì)算任一給定發(fā)動(dòng)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(hào)。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(duì)壓力傳感器（MAP）的輸出特性。經(jīng)過數(shù)小時(shí)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(cè)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(cè)量范圍2.05 bar。

壓力測(cè)量范圍推導(dǎo)如下：傳感器測(cè)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?jìng)鞲衅鞲哂诖髿鈮?.2bar，因此測(cè)量范圍時(shí)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(cè)量范圍*電壓供應(yīng)/傳感器壓力測(cè)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(shí)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(dòng)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(jì)，在這種情況下，您在MAP傳感器上施加特定壓力后，能夠同時(shí)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(gè)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(hào)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(hào)，以協(xié)助進(jìn)行MAF計(jì)算。

圖3 原始數(shù)據(jù)

在圖3的波形中，我們?cè)谒铰访嫔喜扔烷T踏板（節(jié)氣門處于活動(dòng)狀態(tài)）捕獲車輛在二檔的加速度，一直加速到發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到4000 rpm。

請(qǐng)注意，通道E（紫色）測(cè)量的是節(jié)氣門傳感器，信號(hào)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(hào)，就會(huì)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(hào)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以及用數(shù)學(xué)通道freq（D）計(jì)算MAF的流速。要計(jì)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(cè)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(shí)突然達(dá)到峰值，進(jìn)氣歧管壓力驟減。

圖4 各個(gè)波形

計(jì)算MAF（帶渦輪增壓器）：

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

掃描工具和示波器同時(shí)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：3998 rpm

進(jìn)氣歧管壓力：1267 mbar

節(jié)氣門信號(hào)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(jì)算得出：VE=74.44 / 102=72.98％（四舍五入為73％）

計(jì)算MAF（渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)）的基本數(shù)據(jù)有：①發(fā)動(dòng)機(jī)容量（升）②發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速（RPM）③歧管絕對(duì)壓力（bar）④容積效率（％以十進(jìn)制表示）等式為：發(fā)動(dòng)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(jì)算出的VE）要用PicoScope軟件繪制氣流波形 ，我們可以將以下各個(gè)VE值代入到數(shù)學(xué)通道中：

VE=73%，掃描工具計(jì)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(jì)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L(zhǎng)owPass（ 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(jì)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(gè)因素是掃描工具采集時(shí)所對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，因?yàn)槲覀儫o(wú)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(shí)值，例如“發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、MAF以及油門位置”。掃描工具測(cè)得的氣流（268 kg / h）可能與某一瞬時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于3998 rpm有關(guān)！這是一個(gè)真實(shí)存在的問題，因?yàn)槿绻覀兪褂?68 kg / h來計(jì)算VE，這個(gè)數(shù)值之后會(huì)代入到數(shù)學(xué)通道中影響計(jì)算。當(dāng)然這只是要考慮的其中一個(gè)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(gè)要考慮的變量是自定義探針設(shè)置出錯(cuò)（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(hào)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(gè)WPS500X測(cè)實(shí)際壓力，就無(wú)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(dòng)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(duì)比MAF變化。這意味著發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：3999 rpm進(jìn)氣歧管壓力：1249 mbar節(jié)氣門信號(hào)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(jì)算得出：VE = 73.05 / 102 = 71.61％。這個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)出乎我的意料，我以為電子節(jié)氣門處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其氣流會(huì)大于非活動(dòng)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(gè)問題會(huì)發(fā)現(xiàn)，其實(shí)在WOT時(shí)（或者說PCM確定油門踏板的位置時(shí)），由于智能模式，兩種運(yùn)行條件下（VT活動(dòng)/非活動(dòng)）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(dòng)狀態(tài)時(shí)，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(qǐng)看圖6捕獲波形中節(jié)流閥的位置。VT處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，節(jié)氣門位置信號(hào)電壓為2.5 V，VT處于非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電壓為1.8V。需要注意的是，這里的TPS2信號(hào)電壓隨著節(jié)氣門開度的增加而降低。當(dāng)VT處于非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，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(jì)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(duì)此類計(jì)算有所幫助。

另外一個(gè)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(hào)，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(jì)算結(jié)果的差異。

圖7 不同的MAP壓力量程

兩個(gè)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(duì)比數(shù)據(jù)的可靠性。下面我們使用新的量程范圍再次計(jì)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(cè)量范圍為0.38 bar～2.6 bar（絕對(duì)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(cè)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(cè)量范圍*電源電壓/傳感器壓力測(cè)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(gè)例子說明了為什么我們?cè)谑褂米远x探頭來測(cè)歧管壓力的同時(shí)，還使用另一個(gè)通道捕獲MAP傳感器信號(hào)電壓。在這種情況下，我們可以對(duì)信號(hào)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(shí)捕獲了歧管壓力傳感器信號(hào)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(hào)電壓。為了確定兩者的準(zhǔn)確性，WPS500X用于物理測(cè)量進(jìn)氣歧管壓力，測(cè)得峰值330 mbar（1.330 bar絕對(duì)壓力值）。那么這些不同數(shù)值對(duì)MAF計(jì)算有什么影響呢？

根據(jù)掃描工具數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)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(shí)的MAF值高8％。