汽車發(fā)動機容積效率的計算與測定

劉輝

摘 要：從發(fā)動機容積效率的定義及其影響因素的分析出發(fā)，如何計算和測定一臺汽車發(fā)動機的容積效率，給出了應(yīng)試車型的計算和測試數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行了分析。

關(guān)鍵詞：發(fā)動機；容積效率；計算；測定

中圖分類號：V472文獻標(biāo)識碼：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.12.043

1 前言

在診斷汽車故障時，根據(jù)對故障現(xiàn)象的觀察與分析，我們將故障鎖定在發(fā)動機部分，并初步斷定是有關(guān)發(fā)動機性能指標(biāo)不良所致。這時，我們通常要依據(jù)已有的維修經(jīng)驗和相應(yīng)的儀器設(shè)備，對發(fā)動機的相關(guān)性能指標(biāo)進行測試，以查找故障的原因，但這很費時和費力。實際上，我們只需要通過一次簡單的容積效率檢測試驗，就可以獲得可靠的發(fā)動機試驗數(shù)據(jù)，進而確定故障的位置。

2 汽車發(fā)動機容積效率的計算

發(fā)動機有一種簡單的功能—泵空氣。如果發(fā)動機是一個理想的泵，沒有進氣口或排氣口的氣道阻力，沒有壓縮或膨脹沖程，也沒有泄露，那么它排出的空氣量，就等于每個循環(huán)的工作容積。實際泵出空氣量除以理想的空氣量即為容積效率（VE），VE以百分率來計量。

影響發(fā)動機容積效率的內(nèi)部因素包括：進氣道和排氣道的氣道阻力、配氣定時、氣缸密封性、進氣慣性、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)型式和發(fā)動機轉(zhuǎn)速等。影響容積效率的外部因素包括：大氣壓力、空氣溫度和濕度等。

最初，發(fā)動機泵氣效率是使用空氣質(zhì)量流量計測定的，而空氣質(zhì)量流量計則是通過計算容積效率來讀取數(shù)據(jù)的。

試驗條件：

（1）試驗是在逐獵S-10卡車上進行的，該車的發(fā)動機排量為4.3 L，并且空氣質(zhì)量流量計能正常工作。

（2）空氣質(zhì)量流量計的數(shù)據(jù)掃描儀的數(shù)值設(shè)定為g/s。

（3）空氣溫度設(shè)定為77℉（約25 ℃）。

（4）空氣濕度設(shè)定為0。

（5）在數(shù)據(jù)掃描儀上，我們能看到在r/min和空氣質(zhì)量流量計數(shù)值之間有0.2 s的補償。若沒有補償，則應(yīng)先讀r/min，然后再讀空氣質(zhì)量流量計數(shù)值。

（6）在77℉（約25 ℃）、1個大氣壓和空氣濕度為0的條件下，1 L空氣重1.184 g。

現(xiàn)在讓我們做一個簡單的數(shù)學(xué)計算。假設(shè)有一臺排量為4.3 L的發(fā)動機。該發(fā)動機怠速時的轉(zhuǎn)速為600 r/min，所以發(fā)動機每分鐘有300個進氣沖程，即為總轉(zhuǎn)數(shù)的一半。用進氣沖程數(shù)（300）除以時間（60秒），就可以得到單位時間（秒）內(nèi)的沖程數(shù)，即每秒5個。用發(fā)動機的排量（4.3 L）乘以單位時間內(nèi)的沖程數(shù)，便得到單位時間內(nèi)的進氣量（21.5 L/s）；再用單位時間內(nèi)的進氣量乘以空氣密度（1.184 g/L），則得到單位時間內(nèi)的進氣質(zhì)量（25.5 g/s）。可是，由空氣質(zhì)量流量計實際測量到的并顯示在數(shù)據(jù)掃描儀上的數(shù)值卻為4.5 g/s。為什么實際測量值比理論計算值低很多呢？這是因為節(jié)氣門關(guān)閉著，發(fā)動機吸氣時進氣歧管中的進氣阻力變得相當(dāng)小，致使進氣歧管的絕對壓力降到了0.339個大氣壓。

當(dāng)外部大氣的壓力為1個大氣壓時，發(fā)動機進氣歧管內(nèi)的壓力只有0.339個大氣壓，這大約為外部大氣壓的1/3。將大氣壓力下單位時間內(nèi)進氣質(zhì)量的理論計算值（25.5 g/s）除以3，就可得到發(fā)動機單位時間內(nèi)進氣質(zhì)量的理論計算值（8.5 g/s）。再將實測的發(fā)動機單位時間內(nèi)吸入的空氣質(zhì)量（4.5 g/s）除以理論計算的單位時間內(nèi)的進氣質(zhì)量（8.5 g/s），就得到53%的容積效率（補償進氣阻力之后）。考慮到大多數(shù)轎車發(fā)動機的最高效率出現(xiàn)在2500～3500 r/min之間的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，那么這個容積效率還是較理想的。

3 汽車發(fā)動機容積效率的測定

如下表所示，其中的數(shù)據(jù)是S-10卡車在節(jié)氣門全開的情況下，行駛在路況條件極其惡劣的道路上，用節(jié)氣門快速開、關(guān)試驗檢測到的數(shù)據(jù)。當(dāng)在路上試驗且速率增加緩慢下降時，節(jié)氣門快速開、關(guān)試驗所獲得的數(shù)據(jù)還是非常具有說服力的。根據(jù)測量的數(shù)據(jù)可以斷定，通過節(jié)氣門的快速開、關(guān)試驗，就能夠非常有效地確定出一臺發(fā)動機的容積效率。

在表中，我們將看到：在怠速工況下，在計算實際的容積效率時，進氣阻力是不被補償?shù)摹Ｋ衅渌袃r值的數(shù)據(jù)都是在節(jié)氣門全開的情況得到的，因此，呈現(xiàn)的進氣阻力很小或沒有。精確的容積效率計算必須在節(jié)氣門全開的條件下進行。

在表中，其最后一列所呈現(xiàn)的實際容積效率計算的數(shù)據(jù)是在美國的亞利桑那州（海拔762 m）且有進氣阻力補償?shù)臈l件下得到的。如你所見，在3500 r/min可獲得最佳容積效率（85%），這個結(jié)果并不讓人意外。

測定容積效率的試驗的基本條件包括溫度、大氣壓和濕度補償。經(jīng)試驗驗證，容積效率達到95%是完全可以實現(xiàn)的。正常非增壓式吸氣發(fā)動機的容積效率能超過100%嗎？回答是肯定的。如果發(fā)動機在恰當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速，并可調(diào)整，那么在一個調(diào)整后的端口進氣歧管中氣體慣性能夠產(chǎn)生略微高于100%的容積效率的發(fā)動機性能，其中進氣歧管的總管也進行過很好的調(diào)整。

發(fā)動機的容積效率過低意味著什么呢？這可能是發(fā)動機泵氣出了問題，或者是空氣質(zhì)量流量計出了故障，或者是空氣質(zhì)量流量計太臟。容積效率可用于：（1）識別故障；（2）指明故障的具體診斷路徑。

4 結(jié)束語

在對故障車各工況下的容積效率檢測后，將其與該車在完好技術(shù)狀態(tài)下的對應(yīng)數(shù)據(jù)進行比對，以確定發(fā)動機的異常性能指標(biāo)，進而確定發(fā)動機的故障原因，既方便又快捷，這無疑為我們診斷發(fā)動機故障提供了一條有效途徑。