В серии приложений 9 математического канала мы представили процесс расчета теоретического значения MAF.Сегодня я хочу использовать соответствующую формулу для расчета фактического значения MAF для двигателя с турбонаддувом. В данном случае представлен четырехцилиндровый BMW114i N13 мощностью 102 л.с. при 4000 об / мин. Чтобы определить фактическое значение MAF , нам нужно сначала рассчитать объемный КПД (VE) двигателя.
В идеальной ситуации со 100% VE расход воздуха, который должен потреблять двигатель, составляет около 102 г / сек. Это определяется выходной мощностью двигателя: максимальная мощность составляет 102 л.с. (4000 об / мин). Предполагая, что VE составляет 100%, тогда MAF = 102 PS * 1.0 = 102 г / сек (1.0 - это 100%, выраженное в десятичной системе: 100% / 100 = 1.0).
Когда VE составляет 100%, расчетное значение является приблизительным значением максимального воздушного потока, поступающего в двигатель. Фактически, фактическое значение VE составляет от 80% до 90%, и на него также влияют многие переменные, такие как длина / диаметр впускных и выпускных каналов, нагрузка на турбокомпрессор (сторона выпуска), подъем клапана. , Фазы газораспределения и продолжительность клапана и т. Д. Следует отметить, что двигатель в этом примере имеет VVT, VVT-L (впускной клапан) и турбокомпрессор, эти переменные имеют большое влияние на VE.
Следовательно, при вычислении максимального значения MAF следует принять VE равным 80%, формула выглядит следующим образом: 102 PS * 0,8 = 81,6 г / с.
Формулу также можно использовать для обратного расчета мощности двигателя: измеренный максимальный расход воздуха (г / сек) / 0,8 = мощность двигателя 81,6 (г / сек) / 0,8 = 102 л.с.
Эти эмпирические формулы можно использовать только для расчета теоретического массового расхода воздуха или мощности при диагностике проблем работы двигателя. Чтобы рассчитать значение массового расхода воздуха при любой заданной частоте вращения двигателя (здесь мы используем 4000 об / мин, максимальная мощность), нам необходимо получить сигнал давления во впускном коллекторе.
Для этого мы можем использовать нестандартный зонд, но если WPS500X нет, нам нужно понимать выходные характеристики датчика абсолютного давления (MAP) во впускном коллекторе. После нескольких часов исследований я считаю, что выходные характеристики на Рисунке 1 полностью соответствуют нашему датчику Bosch MAP 0 261 230 253 (трехпроводной датчик DS-S3).
Рисунок 1 Выходные характеристики MAP
Рисунок 2 Параметры MAP
Согласно данным на рисунке 2, мы знаем, что: напряжение питания датчика составляет 5,0 В; номинальное напряжение датчика составляет 0,5 В; диапазон измерения напряжения датчика составляет от 0,5 до 4,5 В; от 0,5 до 4,5 В используется напряжение питания от 0 до 5 В 80 % / 100 = 0,8; диапазон измерения давления датчика составляет 2,05 бар.
Диапазон измерения давления определяется следующим образом: Диапазон измерения давления датчика составляет 0,15 бар ～ 2,2 бар (1 бар = атмосферное давление). 0,15 бар (минимум датчика) на 0,85 бар ниже атмосферного давления, 2,2 бара (максимум датчика) означает, что датчик на 1,2 бара выше атмосферного давления, поэтому диапазон измерения составляет 0,85 + 1,2 = 2,05 бар.
Для определения наклона датчика воспользуемся следующей формулой:
Диапазон измерения напряжения датчика * Диапазон измерения напряжения питания / давления датчика
Наклон датчика = 0,8 * 5,0 / 2,05 = 1,951
Для привязки выхода датчика к 1 В, потому что 1 / 1,951 = 0,512 бар. Таким образом, выходной сигнал датчика подчиняется следующим правилам: 1 В = 0,512 бар, поскольку датчик имеет линейный выход, 2 В будет равно 1,024 бар, а 3 В будет равно 1,536 бар и т. Д. Чтобы настроить датчик для отображения напряжения датчика MAP в виде физического давления, мы используем линейное уравнение: y = 0,512x + 0.
Чтобы обеспечить точность данных, вы также можете использовать сканирующий прибор для записи MAP и использовать созданный выше специальный пробник для захвата формы выходного сигнала датчика MAP через осциллограф. При выключенном зажигании и выключенном двигателе сканирующий прибор и осциллограф должны показывать около 1 бар (атмосферное давление).
В сканирующем инструменте может использоваться вакуумметр или манометр. В этом случае, после того как вы приложите определенное давление к датчику MAP, вы можете одновременно сравнить значения на осциллографе и сканирующем инструменте. В соответствии с данными, записанными сканирующим инструментом, эти значения вводятся в справочную таблицу, или зонд может быть настроен для рисования формы волны выходного напряжения датчика MAP, связанной с приложенным давлением.
Канал A (датчик давления наддува) и канал B (датчик MAP) используют вышеупомянутое линейное уравнение для настройки датчика. Два датчика имеют одинаковые выходные характеристики, поэтому они подходят для одного и того же линейного уравнения. Номер детали датчика давления наддува (дроссельная заслонка / промежуточный охладитель): 0 261 230 252 (4-проводный датчик DS-S3-TF), а четвертая строка предоставляет данные о температуре всасываемого воздуха для PCM. Другие каналы собирают соответствующие сигналы, чтобы помочь в расчетах массового расхода воздуха.
Рисунок 3 Исходные данные
В форме волны на Рисунке 3 мы нажимаем на педаль акселератора на ровной дороге (дроссельная заслонка активна), чтобы зафиксировать ускорение автомобиля на второй передаче, и ускоряемся, пока частота вращения двигателя не достигнет 4000 об / мин.
Обратите внимание, что канал E (фиолетовый) измеряет датчик дроссельной заслонки, и напряжение сигнала уменьшается по мере увеличения открытия дроссельной заслонки. Для простоты объяснения я использовал математический канал «-E», чтобы перевернуть канал. (Просто добавьте знак минус перед любой буквой канала, чтобы инвертировать выбранный вами канал). Математический канал LowPass (freq (C), 50) может использоваться для расчета частоты вращения двигателя на основе сигнала коленчатого вала на канале C, а математический канал freq (D) может использоваться для расчета расхода MAF. Для расчета разницы давлений между датчиком давления наддува и датчиком MAP мы используем встроенный математический канал: AB.
Здесь мы можем теоретически обнаружить возможные утечки или аномальные впускные отверстия.Если дроссельная заслонка открыта, давление наддува должно быть примерно равно давлению во впускном коллекторе. По рисунку ниже мы можем проанализировать, что в момент отпускания педали акселератора перепад давления минимален (62,41 мбар). После этого давление наддува внезапно достигает пика при частичном закрытии дроссельной заслонки, и давление во впускном коллекторе резко падает.
Рисунок 4 Каждая форма волны
Рассчитать MAF (с турбонагнетателем):
- На двигателе BMW N13 с электронной дроссельной заслонкой при движении по ровной дороге используйте вторую передачу и нажимайте педаль газа, чтобы разогнаться до 4000 об / мин.
- Диагностический прибор и осциллограф собирают данные одновременно.
Благодаря данным, полученным с помощью сканирующего инструмента, мы получили следующие результаты:
MAF ： 268 кг / ч (74,44 г / сек)
Частота вращения двигателя: 3998 об / мин
Давление во впускном коллекторе: 1267 мбар
Напряжение сигнала дроссельной заслонки: 2,5 В
Давление наддува: (перед дроссельной заслонкой) 1286 мбар
VE рассчитывается на основе данных диагностического прибора: VE = 74,44 / 102 = 72,98% (округлено до 73%)
Основные данные для расчета MAF (двигатель с турбонаддувом):
- Объем двигателя (литр)
- Скорость двигателя (об / мин)
- Абсолютное давление в коллекторе (бар)
- Объемный КПД (% в десятичном виде)
Уравнение: объем двигателя (1,6) * VE (при 74,44 г / сек = 0,73) * 3998 об / мин * 1,267 бар / 2 = MAF (л / мин).
1,6 * 0,73 * 3998 об / мин * 1,267 / 2 = 2958,232 л / мин
Плотность воздуха на уровне моря около 15 градусов Цельсия составляет 1,223 г / л.
2958,232 л / мин * 1,223 г / л = 3617,918 г / мин
3617,918 г / мин / 60 = 60,30 г / сек (используйте VE, рассчитанную по данным диагностического прибора)
Чтобы нарисовать форму волны воздушного потока с помощью программного обеспечения PicoScope, мы можем подставить следующие значения VE в математический канал:
- VE = 73%, рассчитано сканирующим прибором
- VE = 80%, типичное среднее
- VE = 100%, чтобы получить теоретический максимальный расход воздуха
Если мы используем VE, рассчитанный в соответствии с инструментом сканирования, чтобы взять 73%, математический канал будет следующим: LowPass (freq (C), 50) * (1,6 * 0,73) * B / 2 * 1,223 / 60 = MAF @ 73 ％ VE ( Плотность воздуха составляет 1,223 г / л); если мы возьмем VE за 100%, математический канал будет изменен на LowPass (freq (C), 50) * (1,6) * B / 2 * 1,223 / 60 = MAF @ 100 ％ VE ( Качество воздуха - 1,223 г / л). Графический поток воздуха можно увидеть в следующей форме волны:
Рисунок 5 MAF при различных значениях VE
Как показано на Рисунке 5, значение MAF, рассчитанное с помощью математики, несовместимо со значением MAF 268 кг / ч (74,44 г / сек), полученным с помощью сканирующего прибора! При 73% VE пиковое значение MAF математического канала достигает 60,81 г / с;
При 100% VE пиковое значение MAF математического канала составляет 83,37 г / сек; если VE = 80%, пиковое значение MAF математического канала составляет приблизительно 66,88 г / сек.
Одним из факторов является частота вращения двигателя, соответствующая приобретению сканирующего инструмента, поскольку мы не можем определить точность и корреляцию между параметрами. Используя инструмент сканирования, мы получаем мгновенное значение данных, таких как «частота вращения двигателя, массовый расход воздуха и положение дроссельной заслонки».
Расход воздуха (268 кг / ч), измеренный сканирующим прибором, может быть связан с определенной мгновенной частотой вращения двигателя выше 3998 об / мин! Это настоящая проблема, потому что, если мы используем 268 кг / ч для расчета VE, это значение будет подставлено в математический канал, чтобы повлиять на расчет. Конечно, это только одна из переменных, которую следует учитывать, и она точно такая же. Более точным будет принять 80% (среднее значение) или 100% для VE в этом типе математического канала.
Еще одна переменная, которую следует учитывать, - это ошибка в настройках пользовательского датчика (например, выходные характеристики датчика MAP, таблицы собранных данных на рисунках 1 и 2 неточны). Я не на 100% уверен, что данные относятся к датчику с номером детали 0 261 230 253, но данные о давлении во впускном коллекторе, собранные осциллографом, действительно соответствуют сканирующему инструменту. Чтобы избежать влияния этой переменной, во впускной коллектор можно установить WPS500X для измерения фактического давления, и нет необходимости обрабатывать его с помощью инструментов PCM / Scan или специальных датчиков.
Предположим, мы используем двигатель с электронной дроссельной заслонкой, но такое же дорожное испытание (максимальная мощность) проводится с отключенным электронным приводом дроссельной заслонки для сравнения изменений массового расхода воздуха. Это означает, что двигатель может выполнять регулярное управление впуском с помощью дроссельной заслонки, а высота подъема клапана фиксирована (установлена на максимальное значение).
Благодаря данным, полученным с помощью сканирующего инструмента, мы получили следующие результаты:
MAF ： 263 кг / ч (73,05 г / сек)
Частота вращения двигателя: 3999 об / мин
Давление во впускном коллекторе: 1249 мбар
Напряжение сигнала дроссельной заслонки: 1,8 В
Давление наддува: (перед дроссельной заслонкой) 1255 мбар
VE рассчитывается на основе данных сканирующего прибора: VE = 73,05 / 102 = 71,61%.
Эта статистика превзошла все мои ожидания.Я думал, что когда электронный дроссель находится в активном состоянии, его воздушный поток будет больше, чем в неактивном состоянии. На максимальной мощности практически нет разницы в величине VE в двух случаях. Тщательно подумав об этой проблеме, вы обнаружите, что в WOT (или когда PCM определяет положение педали акселератора) из-за интеллектуального режима воздушный поток в двух рабочих условиях (VT активный / неактивный) аналогичен потоку при управлении дроссельной заслонкой. расход воздуха. Когда VT активирован, поток воздуха регулируется продуманной комбинацией положения дроссельной заслонки и подъема впускного клапана. Когда VT находится в неактивном состоянии, впускной клапан по умолчанию работает на максимальную высоту подъема, поэтому поток воздуха регулируется только положением дроссельной заслонки.
По сравнению с осциллограммой на рис. 5 см. Рис. 6, чтобы зафиксировать положение дроссельной заслонки на осциллограмме. Когда VT находится в активном состоянии, напряжение сигнала положения дроссельной заслонки составляет 2,5 В, а когда VT находится в неактивном состоянии, напряжение составляет 1,8 В. Следует отметить, что напряжение сигнала TPS2 здесь уменьшается с увеличением открытия дроссельной заслонки. Когда VT находится в неактивном состоянии, открытие дроссельной заслонки больше.
Рисунок 6 Разница давлений до и после дроссельной заслонки
Согласно данным на рисунке 6, мы можем видеть, что дроссельная заслонка создает значительную разницу давлений между впускным коллектором (после дроссельной заслонки) и компонентами впуска (перед дроссельной заслонкой) (из-за неактивного VT). Хорошая новость заключается в том, что при увеличении открытия дроссельной заслонки перепад давления в состоянии наддува составляет 0 бар.
В целом, учитывая множество переменных, связанных с системой управления впуском, расчет VE и MAF сталкивается с огромной проблемой (это особенно верно для турбонагнетателей). Тем не менее, я надеюсь, что приведенная выше формула (включая давление наддува / коллектора) будет полезна для этого типа расчетов.
Еще один вопрос, который стоит рассмотреть, - это диапазон MAP, точна ли таблица параметров, о которой мы говорили ранее. Правильный OEM-номер этого конкретного автомобиля показан на рисунке 7. Я обнаружил, что диапазон давления датчика давления Meat & Doria 82503 составляет 38 кПа ～ 260 кПа, и разница в диапазоне приведет к разнице в результатах расчетов.
Рисунок 7 Различные диапазоны давления MAP
Разница между двумя диапазонами давления также доказывает сложность получения таких данных, и, что более важно, нам необходимо сравнить надежность данных. Ниже мы используем новый диапазон измерения для повторного расчета. Сначала преобразуем кПа в бар, мы делим значение давления на 100: 38/100 = 0,38 бар; 260/100 = 2,6 бар. Диапазон измерения датчика составляет 0,38 2,6 бар (абсолютное давление). 0,38 бар (минимум датчика) 0,62 бара ниже атмосферного давления, 2,6 бара (максимум датчика) 1,6 бар выше атмосферного давления. Следовательно, диапазон измерения = 0,62 + 1,6 = 2,22 бар.
Для определения наклона / наклона датчика мы используем следующую формулу: диапазон измерения напряжения датчика * напряжение источника питания / диапазон измерения давления датчика ; наклон датчика = 0,8 * 5,0 / 2,22 = 1,801
Чтобы привязать выход датчика к 1 В, потому что 1 / 1,801 = 0,555 бар. Таким образом, выходной сигнал датчика подчиняется следующим правилам: 1 В = 0,555 бар, поскольку датчик имеет линейный выход, 2 В будет равно 1,11 бар, а 3 В будет равно 1,665 бар и т. Д. Чтобы настроить датчик для отображения напряжения датчика MAP в виде физического давления, мы используем линейное уравнение: y = 0,555x + 0.
Разница между пользовательскими настройками датчика означает, что показание давления во впускном коллекторе увеличится примерно на 8%. Я думаю, этот пример иллюстрирует, почему мы используем специальный датчик для измерения давления в коллекторе, а также другой канал для захвата напряжения сигнала датчика MAP. В этом случае мы можем применить математические операции к напряжению сигнала (после захвата), чтобы получить скорректированное значение давления в коллекторе.
В примере на Рисунке 8 я использовал исходную настройку датчика y = 0,512x + 0 (на канале B), чтобы зафиксировать давление в коллекторе, одновременно снимая напряжение сигнала датчика давления в коллекторе (канал A) и в коллекторе. WPS500X (канал C) подключен.
Рисунок 8 Различные значения давления во впускном коллекторе
Мы можем видеть, что пиковое давление оригинального настраиваемого датчика (канал B) составляет 1,279 бар, а пиковое давление математического канала A * 0,555 (пурпурный) составляет 1,394 бар. Здесь поправочное значение 0,555 подставляется в напряжение сигнала датчика MAP на канале A. . Чтобы определить точность этих двух параметров, WPS500X используется для физического измерения давления во впускном коллекторе, а пиковое значение составляет 330 мбар (значение абсолютного давления 1,330 бар). Итак, как эти разные значения влияют на расчет массового расхода воздуха?
Расчетный VE, основанный на данных диагностического прибора, составляет 73% (с Valvetronic, активированным при давлении в коллекторе 1,394 бара).
MAF = 1,6 * 0,73 * 3998 об / мин * 1,394 / 2 = 3254,756 л / мин;
3254756 л / мин * 1,223 г / л = 3980,567 г / мин;
3980,567 г / мин / 60 = 66,34 г / сек
Из-за изменения значения давления наддува это значение примерно на 8% выше первоначально рассчитанного значения.
Если VE = 100%:
1,6 * 3998 об / мин * 1,394 / 2 = 4458,570 л / мин ；
4458,570 л / мин * 1,223 г / л = 5452,831 г / мин ；
5452,831 г / мин / 60 = 90,88 = г / сек
Опять же, это на 8% выше, чем значение MAF, когда VE составляет 100% на рисунке 5 .