我們需要計算MAF（空氣流量）的理論值時，我認為使用數學通道和一些數學技巧來計算會非常有幫助。

對于所有的測量和計算而言，準確性至關重要，而且我們對原始數據使用數學通道的時候，總會有各種各樣的變量。通過這篇文章的介紹，將幫助我們最大程度地減少數學通道和過濾器應用方式所帶來的不確定性。

我們要介紹的是一個1.8升四缸、自然吸氣式Toyota Celica發動機（發動機代碼2ZZ-GE），重點研究它從怠速到WOT這個過程中曲軸傳感器、節氣門位置和MAF之間的關系。

圖1 信號捕捉

為了精準測量WOT期間的發動機最大轉速，A通道中我放大了電壓信號峰值點，以方便使用時間標尺來測量發動機最大轉速的數值。另外，我還添加了數學通道crank（A，36）來繪制發動機轉速曲線。（注意：測量感應式曲軸傳感器信號時，電壓信號幅值與發動機轉速成比例增加。）

圖2crank數學通道

正如我們在圖2看到的，分別使用左側的時間標尺方法（6811 rpm）和右側的crank數學通道（6998 rpm）時，在較高發動機轉速下的測量值會存在差異。

A通道信號中存在那些“煩人的尖峰”，Picoscope軟件會在缺齒時立即檢測到信號頻率急劇上升。而crank數學通道在缺齒通過曲軸傳感器的時候是不記錄數據的，因此缺齒問題得到了解決，當其余的齒繼續正常工作時，crank數學通道會連續顯示數據。

通過使用數學通道的過濾功能，我們可以處理掉crank數學通道中“煩人的尖峰”。如果創建一個LowPass（60/36 *freq（A），8）的數學通道 ，顯示的波形將會自動使用一個8 Hz的低通濾波器。

圖3 過濾后的rpm通道

圖3我們可以清晰地繪制出發動機轉速曲線，并且不會生成尖峰。

我們可以將crank數學通道與過濾后的轉速數學通道進行比較，如圖4所示。

圖4 crank和過濾通道

另一個數學通道LowPass（A，8）則是將一個8 Hz低通濾波器應用于A通道，這可以消除A通道信號的尖峰以便觀察，但會犧牲一些信號幅值的準確度。剛開始我們用時間標尺測得的發動機最大轉速為6811 rpm，但是LowPass（A，8）數學通道測得的是6547 rpm，相差260 rpm。

如果只需要觀察發動機的轉速情況，LowPass（A，8）這個數學通道是適合的，但是如果要計算理論空氣流量，則需要一個準確的rpm峰值。這就要求我們使用數學通道的測量值與用時間標尺獲得的測量值比較接近。其實通過修改數學通道中低通濾波頻率，我們可以測到準確的rpm峰值。我們創建新的數學通道LowPass（60/36 * freq（A），50），由于它包含50 Hz低通濾波器，因此我們的rpm峰值是比較準確的（6807 rpm），尖峰的干擾也是最小的。根據實際應用中曲軸傳感器的不同類型，我們需要反復嘗試不同的頻率，才能設置出最恰當的低通濾波器。

圖5 過濾頻率增大的通道

現在我們有了一個準確的數學通道，它能測出準確的rpm峰值，我們就可以繼續進行理論MAF的計算。

計算理論MAF值：MAF=（RPM*單個氣缸排量）/（60*曲軸轉一圈產生的吸氣沖程數）。計算MAF值有很多種方法，按以下步驟進行計算，就可以得出自然吸氣發動機的理論MAF（假設為WOT）。

示例：Celica使用的是1.8L四缸4沖程自然吸氣發動機，假設現在該發動機以3000 rpm（WOT）的速度運行，消耗的空氣流量可以計算如下：3000 RPM / 60 = 50轉/秒（Hz）對于四缸發動機，曲軸每轉一圈產生2個進氣沖程。因此，每秒50轉*2 =每秒100個進氣沖程。每個進氣沖程進氣量=1.8L/ 4缸=每個氣缸0.45L（450 cc）。每秒100個進氣沖程*0.45L=每秒45L注意：在海平面上空氣密度約為1g/L（取決于壓力和溫度）。因此每秒45升約為每秒45克（45克/秒）。話雖如此，但空氣動力學計算是基于在15攝氏度左右的海平面上計算的，此時的空氣密度為1.223kg / m3或1.223g / L。所以在這里，我們將每秒45升乘以1.223得到55.035 gm / s。需要注意的是，以上所有條件均假設發動機的充氣效率（VE）為100％。但實際上，在發動機最大扭矩下充氣效率約為90％（平均范圍是86％-88％）。

四缸發動機計算理論MAF，數學通道的公式如下：LowPass（60/36 * freq（A），50）/60/2*1.8（空氣密度為1g/L)：LowPass（60/36 * freq（A），50）/60/2*1.8*1.223（空氣密度為1.223g/L)。

圖6 MAF數學通道

現在我們根據兩個空氣密度（假設VE為100％）分別繪制整個轉速范圍內的理論MAF。這里我提一個值得思考的問題，車輛制造商使用的是哪個空氣密度呢（1 gm / L或1.223 gm / L）？哪些MAF值會出現在他們提供的數據中呢？

接著我們講講VE的計算。無論計算技巧或者數學公式如何，計算VE都非常具有挑戰性，因為進氣歧管配置、節氣門位置、氣門持續時間/升程和空氣動力學的復雜性，沒有辦法用一個數學公式來概括。但是，在VE的近似計算時我們可以使用空氣流量數據。

我們不能假設發動機一直是100％的VE，但是如果在計算空氣流量公式中假設發動機VE是100％，然后通過掃描工具來獲得實際MAF值，理論MAF值和實際MAF值的比值就是VE的近似值了。（這里假設空氣流量計運行正常，沒有漏氣，發動機也沒有性能問題。）

在圖7中，數學通道60/36 * freq（A）測得rpm峰值為7031 rpm，理論MAF為106.3gm/sec（假設基于VE為100%、空氣密度為1gm/L測得）。有趣的是，在峰值rpm處MAF值不為0，但節氣門已經是全閉的！這可能是節氣門關閉瞬間發動機轉速不會立即下降所導致的。請記住，我們是根據rpm峰值來計算理論MAF的。

圖7 波形分析

掃描工具顯示MAF在7021 rpm下為111.85 gm / sec，如圖8所示。如果我們現在對這些數字進行計算，示波器計算出的MAF為106.3 gm / sec，而掃描工具報告的MAF為111.85 gm / sec，兩者轉速相似。111.85 / 106.3 =1.05*100%=105％，充氣效率（VE）為105%，這簡直是不可能的！

圖8 掃描數據

雖然該發動機利用VVT-iL“可變氣門正時和升程”（氣門升程在高轉速時增加），但其充氣效率肯定不會超過100％，而且還是在沒有空氣泄漏的前提下。如果我們現在以1.223g/L來計算MAF，也許就不會出現VE超過100%的情況了。

將示波器計算出的MAF修改為106.3g/s*1.223=130g/s，掃描工具報告的MAF為111.85g/s，111.85/130=0.8604*100%=86.04％，充氣效率實際為86.04％。

因此我們可以得出結論，在這種情況下，汽車制造商根據的是1.223g/L的空氣密度來計算理論MAF值。總結一下，如果我們知道發動機轉速，氣缸數和發動機容量，就可以計算出理論MAF。我們還可以在數學通道中加上最后一項修正系數—VE取平均值88％，如果在案例研究中使用數學公式LowPass（60/36 * freq（A），50）/60/2*1.8*1.223*0.88，我們計算MAF值時，假設VE是88％，而不是100％ ：130 gm / sec * 0.88 = 114.4gm / sec（掃描工具示數=為111.85 gm / sec）。我不確定這個數學通道是否有幫助，但是基于100％VE計算得到的理論MAF和掃描工具報告的MAF，根據他們的比值來計算實際近似VE（捕獲后）是非常有用的。