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(chē)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(chē)設(shè)計(jì)和改進(jìn)時(shí)，需要對(duì)樣車(chē)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(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性是衡量汽車(chē)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它不僅影響著汽車(chē)的商品性而且影響著汽車(chē)使用的經(jīng)濟(jì)性。汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性分析主要是通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性、汽車(chē)的功率平衡、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性、汽車(chē)整車(chē)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(chē)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(guò)程，加上整車(chē)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(chē)的實(shí)際性能。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一些學(xué)者用Matlab語(yǔ)言編寫(xiě)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(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性分析的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上通過(guò)利用Visual Basic編寫(xiě)程序?qū)τ绊懫?chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的因素進(jìn)行可視化研究。

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

汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性常用一定工況下汽車(chē)行駛百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽車(chē)行駛的里程來(lái)衡量。影響汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)整車(chē)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(chē)的功率平衡是指汽車(chē)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(chē)行駛的阻力功率也總是平衡的，即在汽車(chē)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(chē)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(chē)行駛方程兩邊乘以車(chē)速u(mài)a，經(jīng)單位換算整理出汽車(chē)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(chē)半載、貨車(chē)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(chē)行駛100 km所消耗的燃油升數(shù))，用它來(lái)衡量汽車(chē)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(chē)在加速、等速、減速和怠速停車(chē)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(chē)工況國(guó)內(nèi)循環(huán)試驗(yàn)JB3352。

2 汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性分析軟件的設(shè)計(jì)

在研究汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(lái)。例如:點(diǎn)擊“汽車(chē)的功率平衡”菜單，彈出對(duì)話框，輸入汽車(chē)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(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性的因素分析

利用該軟件對(duì)江淮汽車(chē)的HFC7200M車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)的過(guò)程中，應(yīng)盡可能使用高擋位。

由圖5可以看出，汽車(chē)在接近于低速的中等車(chē)速行駛時(shí)燃油消耗量最低，速度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)使燃油消耗量增加。速度過(guò)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(chē)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(chē)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(kāi)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(chē)的動(dòng)力特性及燃油經(jīng)濟(jì)性特征，可為汽車(chē)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)等工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持?；赩B的汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)?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(chē)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(chē)動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性的參數(shù)靈敏度［J］.專(zhuān)用汽車(chē)，1994(1):20－22.

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