汽車發動機容積效率的計算與測定

劉輝

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

關鍵詞：發動機；容積效率；計算；測定

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

1 前言

在診斷汽車故障時，根據對故障現象的觀察與分析，我們將故障鎖定在發動機部分，并初步斷定是有關發動機性能指標不良所致。這時，我們通常要依據已有的維修經驗和相應的儀器設備，對發動機的相關性能指標進行測試，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動機試驗數據，進而確定故障的位置。

2 汽車發動機容積效率的計算

發動機有一種簡單的功能—泵空氣。如果發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。

影響發動機容積效率的內部因素包括：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、轉子結構型式和發動機轉速等。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，發動機泵氣效率是使用空氣質量流量計測定的，而空氣質量流量計則是通過計算容積效率來讀取數據的。

試驗條件：

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

（2）空氣質量流量計的數據掃描儀的數值設定為g/s。

（3）空氣溫度設定為77℉（約25 ℃）。

（4）空氣濕度設定為0。

（5）在數據掃描儀上，我們能看到在r/min和空氣質量流量計數值之間有0.2 s的補償。若沒有補償，則應先讀r/min，然后再讀空氣質量流量計數值。

（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。

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

當外部大氣的壓力為1個大氣壓時，發動機進氣歧管內的壓力只有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進氣質量的理論計算值（25.5 g/s）除以3，就可得到發動機單位時間內進氣質量的理論計算值（8.5 g/s）。再將實測的發動機單位時間內吸入的空氣質量（4.5 g/s）除以理論計算的單位時間內的進氣質量（8.5 g/s），就得到53%的容積效率（補償進氣阻力之后）。考慮到大多數轎車發動機的最高效率出現在2500～3500 r/min之間的轉速范圍內，那么這個容積效率還是較理想的。

3 汽車發動機容積效率的測定

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

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的。所有其他有價值的數據都是在節氣門全開的情況得到的，因此，呈現的進氣阻力很小或沒有。精確的容積效率計算必須在節氣門全開的條件下進行。

在表中，其最后一列所呈現的實際容積效率計算的數據是在美國的亞利桑那州（海拔762 m）且有進氣阻力補償的條件下得到的。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。經試驗驗證，容積效率達到95%是完全可以實現的。正常非增壓式吸氣發動機的容積效率能超過100%嗎？回答是肯定的。如果發動機在恰當的轉速，并可調整，那么在一個調整后的端口進氣歧管中氣體慣性能夠產生略微高于100%的容積效率的發動機性能，其中進氣歧管的總管也進行過很好的調整。

發動機的容積效率過低意味著什么呢？這可能是發動機泵氣出了問題，或者是空氣質量流量計出了故障，或者是空氣質量流量計太臟。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狀態下的對應數據進行比對，以確定發動機的異常性能指標，進而確定發動機的故障原因，既方便又快捷，這無疑為我們診斷發動機故障提供了一條有效途徑。