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(guò)程,今天我想使用相關(guān)公式來(lái)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(mén)升程、氣門(mén)正時(shí)以及氣門(mén)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(mén))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(wèn)題時(shí)用來(lái)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(méi)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(guò)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(chēng)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(lèi)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(lái)記錄MAP,同時(shí)使用上面創(chuàng)建的自定義探針通過(guò)示波器捕獲MAP傳感器輸出波形。在點(diǎn)火開(kāi)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(xún)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(mén)/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(mén)踏板(節(jié)氣門(mén)處于活動(dòng)狀態(tài))捕獲車(chē)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(mén)傳感器,信號(hào)電壓隨著節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的增加而降低。為了便于解釋?zhuān)沂褂昧藬?shù)學(xué)通道“ -E ”來(lái)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)。可以用數(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(wèn)題或進(jìn)氣異常,如果節(jié)氣門(mén)打開(kāi),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(kāi)油門(mén)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(mén)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(mén)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(mén)加速到4000rpm。
掃描工具和示波器同時(shí)捕獲數(shù)據(jù)。
通過(guò)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(mén)信號(hào)電壓:2.5 V
增壓壓力:(節(jié)氣門(mén)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(mén)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(wèn)題,因?yàn)槿绻覀兪褂?68 kg / h來(lái)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(lèi)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(guò)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(mén)發(fā)動(dòng)機(jī),但是在斷開(kāi)電子節(jié)氣門(mén)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(guò)節(jié)氣門(mén)進(jìn)行常規(guī)的進(jìn)氣控制,并且氣門(mén)升程固定(設(shè)置為最大值)。通過(guò)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(mén)信號(hào)電壓:1.8 V增壓壓力:(節(jié)氣門(mén)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(mén)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(méi)有差異。仔細(xì)思考這個(gè)問(wèn)題會(huì)發(fā)現(xiàn),其實(shí)在WOT時(shí)(或者說(shuō)PCM確定油門(mén)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(guò)節(jié)流閥位置和進(jìn)氣門(mén)升程的巧妙組合變化來(lái)控制氣流。在VT處于非活動(dòng)狀態(tài)時(shí),進(jìn)氣門(mén)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(mén)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(mén)開(kāi)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(mén)開(kāi)度更大。
圖6 節(jié)氣門(mén)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(mén)后)和進(jìn)氣組件(節(jié)氣門(mén)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(mén)開(kāi)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(lèi)計(jì)算有所幫助。
另外一個(gè)值得考慮的問(wèn)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(chē)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(lèi)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(lèi)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(shuō)明了為什么我們?cè)谑褂米远x探頭來(lái)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%。
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發(fā)動(dòng)機(jī)
+關(guān)注
關(guān)注
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