基于VB语言的汽车燃油经济性分析的可视化研究

崔晓康，吴兰锋，吴超，吴心平，张毅

(1.郑州轻工业学院机电工程学院，河南郑州450002;2.陕西欧舒特汽车股份有限公司，陕西西安710119;3.河南工业大学机电工程学院，河南郑州450001)

0 引言

在汽车设计和改进时，需要对样车的性能进行预测、评价，或者进行传动系的优化分析，其中汽车燃油经济性是衡量汽车性能的一项重要指标，它不仅影响着汽车的商品性而且影响着汽车使用的经济性。汽车的燃油经济性分析主要是通过对发动机的外特性、汽车的功率平衡、发动机负荷特性、汽车整车的等速百公里油耗和六工况循环油耗进行分析计算并绘得必要的图形，进而得出评价汽车燃油经济性的指标。在得到上述各项指标的数据中涉及到大量繁杂重复的计算和绘图过程，加上整车实际试验中不可避免地会受人为因素的影响。因此，传统的由工程技术人员手工计算并在坐标纸上作图，需要花费大量的时间，而且手算和作图的误差较大，容易出错，也不能真实地反映汽车的实际性能。为了解决这个问题，一些学者用Matlab语言编写程序进行工程计算绘图，并取得精确的数据和图形。笔者在汽车燃油经济性分析的数学模型的基础上通过利用Visual Basic编写程序对影响汽车燃油经济性的因素进行可视化研究。

1 影响汽车燃油经济性的指标及理论计算模型

汽车的燃油经济性常用一定工况下汽车行驶百公里的燃油消耗量或一定燃油量能使汽车行驶的里程来衡量。影响汽车的燃油经济性的主要指标有五个:发动机的外特性、功率平衡图、发动机负荷特性曲线、等速百公里油耗和六工况循环油耗。前三个指标常根据发动机的台架试验得到数据，然后对汽车燃油经济性进行分析;后两个指标可以根据整车诸如等速行驶、加速行驶和减速行驶等循环行驶实验工况，得到汽车整车的燃油消耗量。

1.1 发动机的外特性

发动机的外特性是指发动机在油量调节机构处于最大位置并保持不变的情况下，主要性能指标随发动机转速的变化规律。文中只研究发动机外特性指标中最重要的指标功率Pe和转矩Me与发动机转速n之间的关系。其理论公式如下:

1.2 功率平衡图

汽车的功率平衡是指汽车行驶时，不仅驱动力和行驶阻力相平衡，发动机功率和汽车行驶的阻力功率也总是平衡的，即在汽车行驶的每一瞬间，发动机发出的功率始终等于机械传动损失功率与全部运动阻力所消耗的功率。

汽车运动阻力所消耗的功率有滚动阻力功率Pf、坡度阻力功率Pi、空气阻力功率Pw及加速阻力功率Pj。将汽车行驶方程两边乘以车速ua，经单位换算整理出汽车功率平衡方程如下:

1.3 发动机负荷特性

负荷特性是指当发动机的转速不变时，发动机的性能指标随负荷而变化的关系。测绘发动机的负荷特性曲线时调节发功机的负荷并改变给油量，使发动机的转速稳定在某一常数，测量各稳定工况下燃油消耗量B及烟度、噪声等，进而计算出有效功率Pe和燃油消耗率b。转速n为输入值，功率Pe和燃油消耗率b为输出，计算燃油消耗率b的拟合的公式如下:

其中的B0、B1、B2、B3、B4为不同功率对应的拟合系数。

1.4 等速百公里油耗燃油消耗量

在等速行驶百公里燃油消耗量的测定中，标准规定轿车半载、货车满载的情况下，以最高挡在良好的路面上等速行驶100 km的燃油消耗量。常测出每隔10 km/h或20 km/h速度间隔等速百公里燃油消耗量，然后绘制而成 (单位为L/(100 km)，即汽车行驶100 km所消耗的燃油升数)，用它来衡量汽车的燃油经济性，其计算公式如下:

其中:ρ为燃油的密度，kg/L;

g为重力加速度，m/s2。

其数值越大则表明燃油经济性越差;其数值越小则表明燃油经济性越好。

1.5 六工况循环行驶百公里油耗

六工况循环百公里油耗是指汽车在加速、等速、减速和怠速停车等工况下的燃油消耗量之和。其计算公式如下:

其中:Qi为每种行驶工况下的燃油消耗量，具体工况参照汽车工况国内循环试验JB3352。

2 汽车燃油经济性分析软件的设计

在研究汽车燃油经济性的基础上，依据建立的数学模型采用插值法和最小二乘法推导出数学公式，使用VB语言编程，设计出汽车燃油经济性计算软件，产生了一个界面友好、结果直观的Windows程序。程序主界面如图1所示。

该软件的主菜单有五个，分别是发动机外特性、发动机的负荷特性、汽车的功率平衡图、等速百公里油耗、六工况循环油耗。点击进入相应的工况，调用后台仿真程序，将输入参数值赋予模块中的变量，计算结束时将在不同的图形窗口输出表征汽车燃油经济性的各种曲线，并可以把计算结果保存起来。例如:点击“汽车的功率平衡”菜单，弹出对话框，输入汽车各挡位的传动比以及发动机的一些参数，就可以在“图形输出”窗口中得到功率平衡曲线，并保存相应的图形数据，如图2所示。

3 仿真实例及影响汽车燃油经济性的因素分析

利用该软件对江淮汽车的HFC7200M车型进行了仿真分析，首先进入主界面，单击“发动机外特性”进入“外特性”界面，在text框中输入相关的数据，然后单击“绘制发动机外特性曲线”按钮，在图片框中生成如图3曲线。同理，可依次获得发动机负荷特性曲线 (图4)、汽车的功率平衡图 (图2)、等速百公里油耗曲线 (图5)和六工况循环百公里燃油消耗量(图6)。

由图2可以看出，在同一道路条件与车速下，虽然发动机的功率相同，挡位越低后备功率越大，发动机的负荷率越低，燃油消耗率越高，百公里燃油消耗量就越大，而使用高挡位情况恰好相反。因此在驾车的过程中，应尽可能使用高挡位。

由图5可以看出，汽车在接近于低速的中等车速行驶时燃油消耗量最低，速度过高或过低都会使燃油消耗量增加。速度过低时，尽管阻力小，但发动机负荷率低 (图4)，有效燃油消耗上升，百公里油耗也有所增加。在高速行驶时，虽然发动机的负荷率较高，但汽车的行驶阻力增加很多而导致百公里油耗增加。

4 结论

在建立汽车燃油经济性分析的数学模型基础上，利用Visual Basic语言开发了可视化仿真程序。结果表明，该软件能够较为准确地模拟出各种工况下汽车的动力特性及燃油经济性特征，可为汽车的设计、改进等工作提供准确的数据支持。基于VB的汽车燃油经济性分析的可视化仿真研究，消除了实地试验测试中司机、实验环境、天气等因素对汽车燃油经济性性能测定和分析的影响。

【1】赵亚男，赵福堂，刘碧荣.汽车燃油经济性的计算机仿真［J］.农业机械学报，2007，38(50):39 －42.

【2】余志生.汽车理论［M］.4版.北京:机械工业出版社，2006.

【3】张健.Visual Basic 6.0程序设计［M］.杭州:浙江大学出版社，2007.

【4】刘碧荣.基于Matlab的汽车动力性和燃油经济性仿真［D］.北京:北京理工大学，2006.

【5】徐中明，胡云龙.汽车动力性和燃油经济性的参数灵敏度［J］.专用汽车，1994(1):20－22.

【6】万德永.汽车动力性和燃油经济型的计算和作图［J］.汽车研究与开发，1998(2):18－26.