基于VB語言的汽車燃油經濟性分析的可視化研究

崔曉康，吳蘭鋒，吳超，吳心平，張毅

(1.鄭州輕工業學院機電工程學院，河南鄭州450002;2.陜西歐舒特汽車股份有限公司，陜西西安710119;3.河南工業大學機電工程學院，河南鄭州450001)

0 引言

在汽車設計和改進時，需要對樣車的性能進行預測、評價，或者進行傳動系的優化分析，其中汽車燃油經濟性是衡量汽車性能的一項重要指標，它不僅影響著汽車的商品性而且影響著汽車使用的經濟性。汽車的燃油經濟性分析主要是通過對發動機的外特性、汽車的功率平衡、發動機負荷特性、汽車整車的等速百公里油耗和六工況循環油耗進行分析計算并繪得必要的圖形，進而得出評價汽車燃油經濟性的指標。在得到上述各項指標的數據中涉及到大量繁雜重復的計算和繪圖過程，加上整車實際試驗中不可避免地會受人為因素的影響。因此，傳統的由工程技術人員手工計算并在坐標紙上作圖，需要花費大量的時間，而且手算和作圖的誤差較大，容易出錯，也不能真實地反映汽車的實際性能。為了解決這個問題，一些學者用Matlab語言編寫程序進行工程計算繪圖，并取得精確的數據和圖形。筆者在汽車燃油經濟性分析的數學模型的基礎上通過利用Visual Basic編寫程序對影響汽車燃油經濟性的因素進行可視化研究。

1 影響汽車燃油經濟性的指標及理論計算模型

汽車的燃油經濟性常用一定工況下汽車行駛百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽車行駛的里程來衡量。影響汽車的燃油經濟性的主要指標有五個:發動機的外特性、功率平衡圖、發動機負荷特性曲線、等速百公里油耗和六工況循環油耗。前三個指標常根據發動機的臺架試驗得到數據，然后對汽車燃油經濟性進行分析;后兩個指標可以根據整車諸如等速行駛、加速行駛和減速行駛等循環行駛實驗工況，得到汽車整車的燃油消耗量。

1.1 發動機的外特性

發動機的外特性是指發動機在油量調節機構處于最大位置并保持不變的情況下，主要性能指標隨發動機轉速的變化規律。文中只研究發動機外特性指標中最重要的指標功率Pe和轉矩Me與發動機轉速n之間的關系。其理論公式如下:

1.2 功率平衡圖

汽車的功率平衡是指汽車行駛時，不僅驅動力和行駛阻力相平衡，發動機功率和汽車行駛的阻力功率也總是平衡的，即在汽車行駛的每一瞬間，發動機發出的功率始終等于機械傳動損失功率與全部運動阻力所消耗的功率。

汽車運動阻力所消耗的功率有滾動阻力功率Pf、坡度阻力功率Pi、空氣阻力功率Pw及加速阻力功率Pj。將汽車行駛方程兩邊乘以車速ua，經單位換算整理出汽車功率平衡方程如下:

1.3 發動機負荷特性

負荷特性是指當發動機的轉速不變時，發動機的性能指標隨負荷而變化的關系。測繪發動機的負荷特性曲線時調節發功機的負荷并改變給油量，使發動機的轉速穩定在某一常數，測量各穩定工況下燃油消耗量B及煙度、噪聲等，進而計算出有效功率Pe和燃油消耗率b。轉速n為輸入值，功率Pe和燃油消耗率b為輸出，計算燃油消耗率b的擬合的公式如下:

其中的B0、B1、B2、B3、B4為不同功率對應的擬合系數。

1.4 等速百公里油耗燃油消耗量

在等速行駛百公里燃油消耗量的測定中，標準規定轎車半載、貨車滿載的情況下，以最高擋在良好的路面上等速行駛100 km的燃油消耗量。常測出每隔10 km/h或20 km/h速度間隔等速百公里燃油消耗量，然后繪制而成 (單位為L/(100 km)，即汽車行駛100 km所消耗的燃油升數)，用它來衡量汽車的燃油經濟性，其計算公式如下:

其中:ρ為燃油的密度，kg/L;

g為重力加速度，m/s2。

其數值越大則表明燃油經濟性越差;其數值越小則表明燃油經濟性越好。

1.5 六工況循環行駛百公里油耗

六工況循環百公里油耗是指汽車在加速、等速、減速和怠速停車等工況下的燃油消耗量之和。其計算公式如下:

其中:Qi為每種行駛工況下的燃油消耗量，具體工況參照汽車工況國內循環試驗JB3352。

2 汽車燃油經濟性分析軟件的設計

在研究汽車燃油經濟性的基礎上，依據建立的數學模型采用插值法和最小二乘法推導出數學公式，使用VB語言編程，設計出汽車燃油經濟性計算軟件，產生了一個界面友好、結果直觀的Windows程序。程序主界面如圖1所示。

該軟件的主菜單有五個，分別是發動機外特性、發動機的負荷特性、汽車的功率平衡圖、等速百公里油耗、六工況循環油耗。點擊進入相應的工況，調用后臺仿真程序，將輸入參數值賦予模塊中的變量，計算結束時將在不同的圖形窗口輸出表征汽車燃油經濟性的各種曲線，并可以把計算結果保存起來。例如:點擊“汽車的功率平衡”菜單，彈出對話框，輸入汽車各擋位的傳動比以及發動機的一些參數，就可以在“圖形輸出”窗口中得到功率平衡曲線，并保存相應的圖形數據，如圖2所示。

3 仿真實例及影響汽車燃油經濟性的因素分析

利用該軟件對江淮汽車的HFC7200M車型進行了仿真分析，首先進入主界面，單擊“發動機外特性”進入“外特性”界面，在text框中輸入相關的數據，然后單擊“繪制發動機外特性曲線”按鈕，在圖片框中生成如圖3曲線。同理，可依次獲得發動機負荷特性曲線 (圖4)、汽車的功率平衡圖 (圖2)、等速百公里油耗曲線 (圖5)和六工況循環百公里燃油消耗量(圖6)。

由圖2可以看出，在同一道路條件與車速下，雖然發動機的功率相同，擋位越低后備功率越大，發動機的負荷率越低，燃油消耗率越高，百公里燃油消耗量就越大，而使用高擋位情況恰好相反。因此在駕車的過程中，應盡可能使用高擋位。

由圖5可以看出，汽車在接近于低速的中等車速行駛時燃油消耗量最低，速度過高或過低都會使燃油消耗量增加。速度過低時，盡管阻力小，但發動機負荷率低 (圖4)，有效燃油消耗上升，百公里油耗也有所增加。在高速行駛時，雖然發動機的負荷率較高，但汽車的行駛阻力增加很多而導致百公里油耗增加。

4 結論

在建立汽車燃油經濟性分析的數學模型基礎上，利用Visual Basic語言開發了可視化仿真程序。結果表明，該軟件能夠較為準確地模擬出各種工況下汽車的動力特性及燃油經濟性特征，可為汽車的設計、改進等工作提供準確的數據支持。基于VB的汽車燃油經濟性分析的可視化仿真研究，消除了實地試驗測試中司機、實驗環境、天氣等因素對汽車燃油經濟性性能測定和分析的影響。

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