汽车发动机容积效率的计算与测定
刘辉
摘 要：从发动机容积效率的定义及其影响因素的分析出发，如何计算和测定一台汽车发动机的容积效率，给出了应试车型的计算和测试数据，并对数据进行了分析。
关键词：发动机；容积效率；计算；测定
中图分类号：V472文献标识码：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.12.043
1 前言
在诊断汽车故障时，根据对故障现象的观察与分析，我们将故障锁定在发动机部分，并初步断定是有关发动机性能指标不良所致。这时，我们通常要依据已有的维修经验和相应的仪器设备，对发动机的相关性能指标进行测试，以查找故障的原因，但这很费时和费力。实际上，我们只需要通过一次简单的容积效率检测试验，就可以获得可靠的发动机试验数据，进而确定故障的位置。
2 汽车发动机容积效率的计算
发动机有一种简单的功能—泵空气。如果发动机是一个理想的泵，没有进气口或排气口的气道阻力，没有压缩或膨胀冲程，也没有泄露，那么它排出的空气量，就等于每个循环的工作容积。实际泵出空气量除以理想的空气量即为容积效率（VE），VE以百分率来计量。
影响发动机容积效率的内部因素包括：进气道和排气道的气道阻力、配气定时、气缸密封性、进气惯性、转子结构型式和发动机转速等。影响容积效率的外部因素包括：大气压力、空气温度和湿度等。
最初，发动机泵气效率是使用空气质量流量计测定的，而空气质量流量计则是通过计算容积效率来读取数据的。
试验条件：
（1）试验是在逐猎S-10卡车上进行的，该车的发动机排量为4.3 L，并且空气质量流量计能正常工作。
（2）空气质量流量计的数据扫描仪的数值设定为g/s。
（3）空气温度设定为77℉（约25 ℃）。
（4）空气湿度设定为0。
（5）在数据扫描仪上，我们能看到在r/min和空气质量流量计数值之间有0.2 s的补偿。若没有补偿，则应先读r/min，然后再读空气质量流量计数值。
（6）在77℉（约25 ℃）、1个大气压和空气湿度为0的条件下，1 L空气重1.184 g。
现在让我们做一个简单的数学计算。假设有一台排量为4.3 L的发动机。该发动机怠速时的转速为600 r/min，所以发动机每分钟有300个进气冲程，即为总转数的一半。用进气冲程数（300）除以时间（60秒），就可以得到单位时间（秒）内的冲程数，即每秒5个。用发动机的排量（4.3 L）乘以单位时间内的冲程数，便得到单位时间内的进气量（21.5 L/s）；再用单位时间内的进气量乘以空气密度（1.184 g/L），则得到单位时间内的进气质量（25.5 g/s）。可是，由空气质量流量计实际测量到的并显示在数据扫描仪上的数值却为4.5 g/s。为什么实际测量值比理论计算值低很多呢？这是因为节气门关闭着，发动机吸气时进气歧管中的进气阻力变得相当小，致使进气歧管的绝对压力降到了0.339个大气压。
当外部大气的压力为1个大气压时，发动机进气歧管内的压力只有0.339个大气压，这大约为外部大气压的1/3。将大气压力下单位时间内进气质量的理论计算值（25.5 g/s）除以3，就可得到发动机单位时间内进气质量的理论计算值（8.5 g/s）。再将实测的发动机单位时间内吸入的空气质量（4.5 g/s）除以理论计算的单位时间内的进气质量（8.5 g/s），就得到53%的容积效率（补偿进气阻力之后）。考虑到大多数轿车发动机的最高效率出现在2500～3500 r/min之间的转速范围内，那么这个容积效率还是较理想的。
3 汽车发动机容积效率的测定
如下表所示，其中的数据是S-10卡车在节气门全开的情况下，行驶在路况条件极其恶劣的道路上，用节气门快速开、关试验检测到的数据。当在路上试验且速率增加缓慢下降时，节气门快速开、关试验所获得的数据还是非常具有说服力的。根据测量的数据可以断定，通过节气门的快速开、关试验，就能够非常有效地确定出一台发动机的容积效率。
在表中，我们将看到：在怠速工况下，在计算实际的容积效率时，进气阻力是不被补偿的。所有其他有价值的数据都是在节气门全开的情况得到的，因此，呈现的进气阻力很小或没有。精确的容积效率计算必须在节气门全开的条件下进行。
在表中，其最后一列所呈现的实际容积效率计算的数据是在美国的亚利桑那州（海拔762 m）且有进气阻力补偿的条件下得到的。如你所见，在3500 r/min可获得最佳容积效率（85%），这个结果并不让人意外。
测定容积效率的试验的基本条件包括温度、大气压和湿度补偿。经试验验证，容积效率达到95%是完全可以实现的。正常非增压式吸气发动机的容积效率能超过100%吗？回答是肯定的。如果发动机在恰当的转速，并可调整，那么在一个调整后的端口进气歧管中气体惯性能够产生略微高于100%的容积效率的发动机性能，其中进气歧管的总管也进行过很好的调整。
发动机的容积效率过低意味着什么呢？这可能是发动机泵气出了问题，或者是空气质量流量计出了故障，或者是空气质量流量计太脏。容积效率可用于：（1）识别故障；（2）指明故障的具体诊断路径。
4 结束语
在对故障车各工况下的容积效率检测后，将其与该车在完好技术状态下的对应数据进行比对，以确定发动机的异常性能指标，进而确定发动机的故障原因，既方便又快捷，这无疑为我们诊断发动机故障提供了一条有效途径。
摘 要：从发动机容积效率的定义及其影响因素的分析出发，如何计算和测定一台汽车发动机的容积效率，给出了应试车型的计算和测试数据，并对数据进行了分析。
关键词：发动机；容积效率；计算；测定
中图分类号：V472文献标识码：Adoi：10.14031/j.cnki.njwx.2016.12.043
1 前言
在诊断汽车故障时，根据对故障现象的观察与分析，我们将故障锁定在发动机部分，并初步断定是有关发动机性能指标不良所致。这时，我们通常要依据已有的维修经验和相应的仪器设备，对发动机的相关性能指标进行测试，以查找故障的原因，但这很费时和费力。实际上，我们只需要通过一次简单的容积效率检测试验，就可以获得可靠的发动机试验数据，进而确定故障的位置。
2 汽车发动机容积效率的计算
发动机有一种简单的功能—泵空气。如果发动机是一个理想的泵，没有进气口或排气口的气道阻力，没有压缩或膨胀冲程，也没有泄露，那么它排出的空气量，就等于每个循环的工作容积。实际泵出空气量除以理想的空气量即为容积效率（VE），VE以百分率来计量。
影响发动机容积效率的内部因素包括：进气道和排气道的气道阻力、配气定时、气缸密封性、进气惯性、转子结构型式和发动机转速等。影响容积效率的外部因素包括：大气压力、空气温度和湿度等。
最初，发动机泵气效率是使用空气质量流量计测定的，而空气质量流量计则是通过计算容积效率来读取数据的。
试验条件：
（1）试验是在逐猎S-10卡车上进行的，该车的发动机排量为4.3 L，并且空气质量流量计能正常工作。
（2）空气质量流量计的数据扫描仪的数值设定为g/s。
（3）空气温度设定为77℉（约25 ℃）。
（4）空气湿度设定为0。
（5）在数据扫描仪上，我们能看到在r/min和空气质量流量计数值之间有0.2 s的补偿。若没有补偿，则应先读r/min，然后再读空气质量流量计数值。
（6）在77℉（约25 ℃）、1个大气压和空气湿度为0的条件下，1 L空气重1.184 g。
现在让我们做一个简单的数学计算。假设有一台排量为4.3 L的发动机。该发动机怠速时的转速为600 r/min，所以发动机每分钟有300个进气冲程，即为总转数的一半。用进气冲程数（300）除以时间（60秒），就可以得到单位时间（秒）内的冲程数，即每秒5个。用发动机的排量（4.3 L）乘以单位时间内的冲程数，便得到单位时间内的进气量（21.5 L/s）；再用单位时间内的进气量乘以空气密度（1.184 g/L），则得到单位时间内的进气质量（25.5 g/s）。可是，由空气质量流量计实际测量到的并显示在数据扫描仪上的数值却为4.5 g/s。为什么实际测量值比理论计算值低很多呢？这是因为节气门关闭着，发动机吸气时进气歧管中的进气阻力变得相当小，致使进气歧管的绝对压力降到了0.339个大气压。
当外部大气的压力为1个大气压时，发动机进气歧管内的压力只有0.339个大气压，这大约为外部大气压的1/3。将大气压力下单位时间内进气质量的理论计算值（25.5 g/s）除以3，就可得到发动机单位时间内进气质量的理论计算值（8.5 g/s）。再将实测的发动机单位时间内吸入的空气质量（4.5 g/s）除以理论计算的单位时间内的进气质量（8.5 g/s），就得到53%的容积效率（补偿进气阻力之后）。考虑到大多数轿车发动机的最高效率出现在2500～3500 r/min之间的转速范围内，那么这个容积效率还是较理想的。
3 汽车发动机容积效率的测定
如下表所示，其中的数据是S-10卡车在节气门全开的情况下，行驶在路况条件极其恶劣的道路上，用节气门快速开、关试验检测到的数据。当在路上试验且速率增加缓慢下降时，节气门快速开、关试验所获得的数据还是非常具有说服力的。根据测量的数据可以断定，通过节气门的快速开、关试验，就能够非常有效地确定出一台发动机的容积效率。
在表中，我们将看到：在怠速工况下，在计算实际的容积效率时，进气阻力是不被补偿的。所有其他有价值的数据都是在节气门全开的情况得到的，因此，呈现的进气阻力很小或没有。精确的容积效率计算必须在节气门全开的条件下进行。
在表中，其最后一列所呈现的实际容积效率计算的数据是在美国的亚利桑那州（海拔762 m）且有进气阻力补偿的条件下得到的。如你所见，在3500 r/min可获得最佳容积效率（85%），这个结果并不让人意外。
测定容积效率的试验的基本条件包括温度、大气压和湿度补偿。经试验验证，容积效率达到95%是完全可以实现的。正常非增压式吸气发动机的容积效率能超过100%吗？回答是肯定的。如果发动机在恰当的转速，并可调整，那么在一个调整后的端口进气歧管中气体惯性能够产生略微高于100%的容积效率的发动机性能，其中进气歧管的总管也进行过很好的调整。
发动机的容积效率过低意味着什么呢？这可能是发动机泵气出了问题，或者是空气质量流量计出了故障，或者是空气质量流量计太脏。容积效率可用于：（1）识别故障；（2）指明故障的具体诊断路径。
4 结束语
在对故障车各工况下的容积效率检测后，将其与该车在完好技术状态下的对应数据进行比对，以确定发动机的异常性能指标，进而确定发动机的故障原因，既方便又快捷，这无疑为我们诊断发动机故障提供了一条有效途径。
