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数学通道的应用(十三)-涡轮增压发动机空气流量实际值

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发表于 2020-8-24 16:56:45 | 显示全部楼层 |阅读模式
数学通道的应用(十三)-涡轮增压发动机空气流量实际值
作者:Steve Smith

在数学通道的应用系列九中,我们介绍了计算MAF理论值的过程,今天我想使用相关公式来计算涡轮增压发动机的MAF实际值。本次案例介绍的发动机是四缸BMW114i N13,转速在4000 rpm时马力数为102。要确定MAF实际值,我们需要先计算出发动机的容积效率(VE)


在拥有100%VE的理想情况下,该发动机应消耗的空气流量约为102 gm / sec。这是从发动机的输出功率得出的:最大功率102PS(4000rpm)。假设VE为100%,则MAF=102 PS *1.0=102gm/sec(1.0为100%,用十进制表示:100%/ 100 = 1.0)。

VE为100%时计算得出的是进入该发动机最大气流的近似值。实际上,VE实际值在80%到90%左右,并且还会受到多种变量影响,比如进气口和排气口的长度/直径、涡轮增压器负载(排气侧)、气门升程、气门正时以及气门持续时间等等。需要注意的是,本例中的发动机具有VVT、VVT-L(进气门)和涡轮增压器,这些变量对VE的影响已经很多了


因此,计算MAF峰值时应假设VE为80%,公式如下:102 PS*0.8 = 81.6gm/sec。

公式也可以逆推计算出发动机功率:测得的峰值气流(gm / sec)/ 0.8=发动机功率81.6(gm/sec)/0.8=102PS。

这些经验公式只能在诊断发动机运行问题时用来计算理论MAF或者功率。要计算任一给定发动机转速下(此处我们使用4000 rpm,最大功率)的MAF值,我们需要采集到进气歧管压力信号。


为此,我们可以使用自定义探针,但是如果没有WPS500X,我们需要了解进气歧管绝对压力传感器(MAP)的输出特性。经过数小时的研究,我认为图1中的输出特性和我们的Bosch MAP传感器0 261 230 253(DS-S3 3线制传感器)完全匹配。

图1.MAP输出特性.png
图1 MAP输出特性
图2.MAP参数.PNG
图2 MAP参数

根据图2中的数据,我们知道:传感器电源电压5.0 V;传感器标称电压为0.5 V;传感器电压测量范围是0.5 V~4.5 V;0.5 V至4.5 V使用0 V至5 V电源电压的80%/100 = 0.8;传感器压力测量范围2.05 bar。


压力测量范围推导如下:传感器测量压力范围是0.15bar~2.2bar(1bar=大气压)。0.15bar(传感器最小值)低于大气压0.85bar,2.2 bar(传感器最大值)是指传感器高于大气压1.2bar,因此测量范围时0.85+1.2=2.05 bar。

要确定传感器的斜率,我们使用以下公式:

传感器电压测量范围*电压供应/传感器压力测量范围

传感器倾斜度=0.8*5.0 / 2.05 = 1.951

为了将传感器输出以1 V为基准,因为1/1.951=0.512bar。所以传感器输出遵循以下规则:1 V=0.512bar,由于该传感器具有线性输出,因此2 V将等于1.024 bar,而3 V将等于1.536 bar,依此类推。要自定义探针以将MAP传感器电压显示为物理压力,我们使用线性方程式:y=0.512x+0。


为了保证数据的准确性,您也可以用扫描工具来记录MAP,同时使用上面创建的自定义探针通过示波器捕获MAP传感器输出波形。在点火开关关闭且发动机关闭的情况下,扫描工具和示波器都应显示约1 bar(大气压)。

扫描工具可以使用真空表或压力计,在这种情况下,您在MAP传感器上施加特定压力后,能够同时比较示波器和扫描工具上的值。根据扫描工具记录的数据,将这些值输入到查询表中,也可以自定义探针,绘制与施加压力相关的MAP传感器输出电压波形。


通道A(增压压力传感器)和通道B(MAP传感器)使用上述线性方程式自定义探头,两个传感器具有相同的输出特性,因此适用于相同的线性方程式。增压压力传感器(节气门/后中冷器)的部件号是0 261 230 252(DS-S3-TF 4线传感器),第4根线将进气温度数据提供给PCM。其他通道采集相关信号,以协助进行MAF计算。


图3.原始数据.png
图3 原始数据

在图3的波形中,我们在水平路面上踩油门踏板(节气门处于活动状态)捕获车辆在二档的加速度,一直加速到发动机转速达到4000 rpm。

请注意,通道E(紫色)测量的是节气门传感器,信号电压随着节气门开度的增加而降低。为了便于解释,我使用了数学通道“ -E ”来反转该通道。(只需在任何通道字母之前添加减号,就会反转您选择的通道)。可以用数学通道LowPass(freq(C),50)根据通道C上的曲轴信号计算发动机转速,以及用数学通道freq(D)计算MAF的流速。要计算增压压力传感器和MAP传感器之间的压力差,我们使用内置的数学通道:A-B


在这里,我们可以从理论上检测出可能的漏气问题或进气异常,如果节气门打开,则增压压力应约等于进气歧管压力根据下图我们可以分析到,在松开油门踏板那一瞬间,压差微乎其微(62.41 mbar)。之后,增压压力在节气门部分关闭时突然达到峰值,进气歧管压力骤减。


图4.各个波形.PNG
图4 各个波形

计算MAF(带涡轮增压器):

1、在带有电子节气门的BMW N13发动机上,在水平路面行驶时挂二档踩油门加速到4000rpm。

2、扫描工具和示波器同时捕获数据。

通过扫描工具所捕获的数据,我们获得了以下结果:

MAF:268 kg / h(74.44 gm / sec)

发动机转速:3998 rpm

进气歧管压力:1267 mbar

节气门信号电压:2.5 V

增压压力:(节气门之前)1286 mbar

VE根据扫描工具数据计算得出:VE=74.44 / 102=72.98%(四舍五入为73%)


计算MAF(涡轮增压发动机)的基本数据有:

①发动机容量(升)

②发动机转速(RPM)

③歧管绝对压力(bar)

④容积效率(%以十进制表示)


等式为:发动机容量(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 / min

15摄氏度左右的海平面上空气密度为1.223g / L

2958.232 L / min*1.223gm/L= 3617.918 gm / min

3617.918 gm / min / 60 = 60.30gm / sec(使用根据扫描工具数据计算出的VE)


要用PicoScope软件绘制气流波形 ,我们可以将以下各个VE值代入到数学通道中:

1. VE=73%,扫描工具计算得出

2. VE=80%,典型平均值

3. VE=100%,以获得理论最大气流


如果我们使用根据扫描工具计算得出的VE取73%,则数学通道如下:LowPass(freq(C),50)*(1.6 * 0.73)* B / 2 * 1.223 / 60=MAF@73%VE(空气密度为1.223 gm / L);如果我们VE取100%,则数学通道将更改为LowPass( freq(C),50)*(1.6)* B / 2 * 1.223 / 60=MAF@100%VE(空气质量为1.223 gm / L)。在以下波形中可以看到图形化的气流:


图5.不同VE值下的MAF.PNG
图5 不同VE值下的MAF

如图5所示,数学通计算出的MAF值与扫描工具得出的MAF值 268 kg / h(74.44 g / sec)不一致!在73%VE下,数学通道MAF峰值达到60.81 gm / sec;在100%VE下,数学通道MAF峰值为83.37 gm / sec;如果VE=80%,则数学通道MAF峰值约为66.88 gm / sec。


其中一个因素是扫描工具采集时所对应的发动机转速,因为我们无法确定参数之间的准确性和相关性。使用扫描工具,我们获得的是数据的瞬时值,例如“发动机转速、MAF以及油门位置”。

扫描工具测得的气流(268 kg / h)可能与某一瞬时发动机转速高于3998 rpm有关!这是一个真实存在的问题,因为如果我们使用268 kg / h来计算VE,这个数值之后会代入到数学通道中影响计算。当然这只是要考虑的其中一个变量,也正是如此,此类数学通道中VE取80%(平均值)或100%更准确。


另一个要考虑的变量是自定义探针设置出错(比如MAP传感器输出特性,图1和2的采集数据表不准确)。我不是百分百确信数据表适用于零件号为0 261 230 253的传感器,但示波器采集的进气歧管压力数据确实和扫描工具相匹配。要避免此变量影响,可以在进气歧管中装一个WPS500X测实际压力,就无需通过PCM / Scan工具或自定义探头进行处理了。


假设我们使用的是电子节气门发动机,但是在断开电子节气门执行器的情况下进行了相同的(最大功率)路试,以对比MAF变化。这意味着发动机可以通过节气门进行常规的进气控制,并且气门升程固定(设置为最大值)。


通过扫描工具所捕获的数据,我们获得了以下结果:

MAF:263 kg / h(73.05 g / sec)

发动机转速:3999 rpm

进气歧管压力:1249 mbar

节气门信号电压:1.8 V

增压压力:(节气门之前)1255 mbar

VE根据扫描工具数据计算得出:VE = 73.05 / 102 = 71.61%。


这个统计数据出乎我的意料,我以为电子节气门处于活动状态时,其气流会大于非活动状态。最大功率下,VE在两种情况下的数值几乎没有差异。仔细思考这个问题会发现,其实在WOT时(或者说PCM确定油门踏板的位置时),由于智能模式,两种运行条件下(VT活动/非活动)的气流都相似于节流阀控制下的气流。在VT激活的情况下,通过节流阀位置和进气门升程的巧妙组合变化来控制气流。在VT处于非活动状态时,进气门默认为最大升程,因此,气流仅由节流阀的位置控制。


与图5的波形相比,请看图6捕获波形中节流阀的位置。VT处于活动状态时,节气门位置信号电压为2.5 V,VT处于非活动状态时,电压为1.8V。需要注意的是,这里的TPS2信号电压随着节气门开度的增加而降低。当VT处于非活动状态时,节气门开度更大。


图6.节气门前后压差.png
图6 节气门前后压差

根据图6数据,我们可以看到节流阀在进气歧管(节气门后)和进气组件(节气门前)之间产生了相当大的压差(由于VT未激活)。好消息是,随着节气门开度的增加,增压状态下的压差为0 bar。

总而言之,考虑到与进气控制系统相关的变量众多,VE和MAF的计算面临着巨大的挑战(涡轮增压器的应用更是如此)。但是,我希望上面的公式(包含增压/歧管压力)将对此类计算有所帮助。


另外一个值得考虑的问题是MAP的量程,我们之前参考的参数图表是否准确。图7是该特定车辆的正确OEM编号,我发现Meat&Doria 82503压力传感器的压力范围是38 kpa~260 kpa,量程的不同将造成计算结果的差异


图7.不同的MAP压力量程.PNG
图7 不同的MAP压力量程

两个压力量程的差异也证明了获取此类数据的难度,更重要的是,我们需要对比数据的可靠性。下面我们使用新的量程范围再次计算,首先将kPa转换为bar,我们将压力值除以100:38/100=0.38bar;260/100=2.6bar。传感器测量范围为0.38 bar~2.6 bar(绝对压力)。0.38 bar(传感器最小值)低于大气压0.62 bar,2.6 bar(传感器最大值)高于大气压1.6bar。因此测量范围=0.62 + 1.6 = 2.22 bar。


要确定传感器的倾斜度/斜率,我们使用以下公式:传感器电压测量范围*电源电压/传感器压力测量范围;传感器倾斜度=0.8*5.0 / 2.22 = 1.801

为了将传感器输出以1 V为基准,因为1/1.801=0.555bar。所以传感器输出遵循以下规则:1 V=0.555bar,由于该传感器具有线性输出,因此2 V将等于1.11 bar,而3 V将等于1.665bar,依此类推。要自定义探针以将MAP传感器电压显示为物理压力,我们使用线性方程式:y=0.555x+0。


自定义探针设置之间的差异意味着进气歧管压力读数将提高大约8%我认为这个例子说明了为什么我们在使用自定义探头来测歧管压力的同时,还使用另一个通道捕获MAP传感器信号电压。在这种情况下,我们可以对信号电压(捕获后)应用数学运算以获得修正后的歧管压力值。

在图8示例中,我使用原始的自定义探头设置y=0.512x+0(在通道B上)捕获了歧管压力,同时捕获了歧管压力传感器信号电压(通道A)以及在歧管中连接了WPS500X(通道C)。


图8.不同的进气歧管压力值.PNG
图8 不同的进气歧管压力值

我们可以看到原始自定义探针(通道B)压力峰值为1.279 bar,而数学通道A*0.555(品红色)压力峰值为1.394 bar,此处将修正值0.555代入通道A上的MAP传感器信号电压。为了确定两者的准确性,WPS500X用于物理测量进气歧管压力,测得峰值330 mbar(1.330 bar绝对压力值)。那么这些不同数值对MAF计算有什么影响呢?


根据扫描工具数据计算得到的VE为73%(在1.394 bar的歧管压力下处于Valvetronic激活状态下)

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

由于增压压力值变化,该值比最初计算的值大约高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

再次比图5中VE取100%时的MAF值高8%。


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