基于VB語(yǔ)言的汽車燃油經(jīng)濟(jì)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(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)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(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

在汽車設(shè)計(jì)和改進(jìn)時(shí)，需要對(duì)樣車的性能進(jìn)行預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)，或者進(jìn)行傳動(dòng)系的優(yōu)化分析，其中汽車燃油經(jīng)濟(jì)性是衡量汽車性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它不僅影響著汽車的商品性而且影響著汽車使用的經(jīng)濟(jì)性。汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性分析主要是通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性、汽車的功率平衡、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性、汽車整車的等速百公里油耗和六工況循環(huán)油耗進(jìn)行分析計(jì)算并繪得必要的圖形，進(jìn)而得出評(píng)價(jià)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)。在得到上述各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)據(jù)中涉及到大量繁雜重復(fù)的計(jì)算和繪圖過程，加上整車實(shí)際試驗(yàn)中不可避免地會(huì)受人為因素的影響。因此，傳統(tǒng)的由工程技術(shù)人員手工計(jì)算并在坐標(biāo)紙上作圖，需要花費(fèi)大量的時(shí)間，而且手算和作圖的誤差較大，容易出錯(cuò)，也不能真實(shí)地反映汽車的實(shí)際性能。為了解決這個(gè)問題，一些學(xué)者用Matlab語(yǔ)言編寫程序進(jìn)行工程計(jì)算繪圖，并取得精確的數(shù)據(jù)和圖形。筆者在汽車燃油經(jīng)濟(jì)性分析的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上通過利用Visual Basic編寫程序?qū)τ绊懫嚾加徒?jīng)濟(jì)性的因素進(jìn)行可視化研究。

1 影響汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)及理論計(jì)算模型

汽車的燃油經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)性的主要指標(biāo)有五個(gè):發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性、功率平衡圖、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性曲線、等速百公里油耗和六工況循環(huán)油耗。前三個(gè)指標(biāo)常根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)，然后對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析;后兩個(gè)指標(biāo)可以根據(jù)整車諸如等速行駛、加速行駛和減速行駛等循環(huán)行駛實(shí)驗(yàn)工況，得到汽車整車的燃油消耗量。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性

發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性是指發(fā)動(dòng)機(jī)在油量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)處于最大位置并保持不變的情況下，主要性能指標(biāo)隨發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。文中只研究發(fā)動(dòng)機(jī)外特性指標(biāo)中最重要的指標(biāo)功率Pe和轉(zhuǎn)矩Me與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)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(shí)，不僅驅(qū)動(dòng)力和行駛阻力相平衡，發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率始終等于機(jī)械傳動(dòng)損失功率與全部運(yùn)動(dòng)阻力所消耗的功率。

汽車運(yùn)動(dòng)阻力所消耗的功率有滾動(dòng)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(jīng)單位換算整理出汽車功率平衡方程如下:

1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性

負(fù)荷特性是指當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)隨負(fù)荷而變化的關(guān)系。測(cè)繪發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性曲線時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)功機(jī)的負(fù)荷并改變給油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某一常數(shù)，測(cè)量各穩(wěn)定工況下燃油消耗量B及煙度、噪聲等，進(jìn)而計(jì)算出有效功率Pe和燃油消耗率b。轉(zhuǎn)速n為輸入值，功率Pe和燃油消耗率b為輸出，計(jì)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(duì)應(yīng)的擬合系數(shù)。

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(cè)定中，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(cè)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(zhǎng)/(100 km)，即汽車行駛100 km所消耗的燃油升數(shù))，用它來衡量汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性，其計(jì)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(shù)值越大則表明燃油經(jīng)濟(jì)性越差;其數(shù)值越小則表明燃油經(jīng)濟(jì)性越好。

1.5 六工況循環(huán)行駛百公里油耗

六工況循環(huán)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(jì)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(guó)內(nèi)循環(huán)試驗(yàn)JB3352。

2 汽車燃油經(jīng)濟(jì)性分析軟件的設(shè)計(jì)

在研究汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，依據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型采用插值法和最小二乘法推導(dǎo)出數(shù)學(xué)公式，使用VB語(yǔ)言編程，設(shè)計(jì)出汽車燃油經(jīng)濟(jì)性計(jì)算軟件，產(chǎn)生了一個(gè)界面友好、結(jié)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(gè)，分別是發(fā)動(dòng)機(jī)外特性、發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷特性、汽車的功率平衡圖、等速百公里油耗、六工況循環(huán)油耗。點(diǎn)擊進(jìn)入相應(yīng)的工況，調(diào)用后臺(tái)仿真程序，將輸入?yún)?shù)值賦予模塊中的變量，計(jì)算結(jié)束時(shí)將在不同的圖形窗口輸出表征汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的各種曲線，并可以把計(jì)算結(jié)果保存起來。例如:點(diǎn)擊“汽車的功率平衡”菜單，彈出對(duì)話框，輸入汽車各擋位的傳動(dòng)比以及發(fā)動(dòng)機(jī)的一些參數(shù)，就可以在“圖形輸出”窗口中得到功率平衡曲線，并保存相應(yīng)的圖形數(shù)據(jù)，如圖2所示。

3 仿真實(shí)例及影響汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的因素分析

利用該軟件對(duì)江淮汽車的HFC7200M車型進(jìn)行了仿真分析，首先進(jìn)入主界面，單擊“發(fā)動(dòng)機(jī)外特性”進(jìn)入“外特性”界面，在text框中輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)，然后單擊“繪制發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)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(huán)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(fā)動(dòng)機(jī)的功率相同，擋位越低后備功率越大，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)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(yīng)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(shí)燃油消耗量最低，速度過高或過低都會(huì)使燃油消耗量增加。速度過低時(shí)，盡管阻力小，但發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)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(shí)，雖然發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷率較高，但汽車的行駛阻力增加很多而導(dǎo)致百公里油耗增加。

4 結(jié)論

在建立汽車燃油經(jīng)濟(jì)性分析的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，利用Visual Basic語(yǔ)言開發(fā)了可視化仿真程序。結(jié)果表明，該軟件能夠較為準(zhǔn)確地模擬出各種工況下汽車的動(dòng)力特性及燃油經(jīng)濟(jì)性特征，可為汽車的設(shè)計(jì)、改進(jìn)等工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。基于VB的汽車燃油經(jīng)濟(jì)性分析的可視化仿真研究，消除了實(shí)地試驗(yàn)測(cè)試中司機(jī)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、天氣等因素對(duì)汽車燃油經(jīng)濟(jì)性性能測(cè)定和分析的影響。

【1】趙亞男，趙福堂，劉碧榮.汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的計(jì)算機(jī)仿真［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2007，38(50):39 －42.

【2】余志生.汽車?yán)碚摚跰］.4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

【3】張健.Visual Basic 6.0程序設(shè)計(jì)［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2007.

【4】劉碧榮.基于Matlab的汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性仿真［D］.北京:北京理工大學(xué)，2006.

【5】徐中明，胡云龍.汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的參數(shù)靈敏度［J］.專用汽車，1994(1):20－22.

【6】萬(wàn)德永.汽車動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)型的計(jì)算和作圖［J］.汽車研究與開發(fā)，1998(2):18－26.