柴油機轎車燃油經(jīng)濟性能仿真計算(MATLAB)

湖北汽車工業(yè)學院汽車工程系PAGE第4頁共14頁湖北汽車工業(yè)學院HubeiAutomotiveIndustriesInstitute課程設計說明書課程名稱汽車設計設計題目柴油機轎車燃油經(jīng)濟性能仿真計算(MATLAB)班號T843-4專業(yè)車輛工程學號200804304XX學生姓名XXX同組人姓名指導教師(簽字)成績起止日期2011年12月5日--2012年2月24日目錄1設計任務及要求……………31.1設計任務…………………31.2設計要求…………………32設計計算輸入?yún)?shù)…………33設計計算過程………………43.1．汽車瞬時車速的計算…………………43.2．汽車瞬時油耗的計算…………………43.3．汽車經(jīng)濟車速（90km/h）百公里油耗的計算………43.4.ECE、EUDC、ECE+EUDC汽車循環(huán)工況油耗……43.4.1計算等速油耗………………………43.4.2加速行駛工況燃油消耗量的計算…………………43.4.1計算減速段油耗……………………53.5發(fā)動機萬有特性曲線圖…………………53.5.1采集實驗數(shù)據(jù)………………………3.5.2求方程系數(shù)…………53.5.3繪制曲線……………64設計計算程序界面介紹……………………64.1主界面…………………64.2參數(shù)輸入…………………64.3結(jié)果輸出…………………75設計計算結(jié)果………………95.1主界面……………………95.2參數(shù)輸入…………………105.3結(jié)果輸出界面……………11 5.3.1數(shù)據(jù)計算結(jié)果顯示………………… 5.3.2圖形結(jié)果顯示……………… 5.3.2.1發(fā)動機萬有特性曲線 5.3.2.2等速百公里燃油消耗量曲線…………… 5.3.2.3ECE循環(huán)工況示意圖 5.3.2.4EUDC循環(huán)工況示意圖……………… 5.3.2.5ECE+EUDC循環(huán)工況示意圖6設計體會……………………177參考文獻……………………183.4.2加速行駛工況燃油消耗量的計算按圖積分法，把每一加速度段分成若干個速度間隔△V（一般為（1km/h））,逐個計算每個區(qū)間的燃油消耗量，并累加起來，即為一個加速段的油耗。首先，由勻加速段的初速度和末速度算出加速度（單位為m/s^2），在算Fj和各速度間隔的轉(zhuǎn)速n以及Fj、Fw，于是所需的驅(qū)動力 （3-4-2.1） 再計算Pe，在汽車加速行駛時，發(fā)動機還要提供為克服加速阻力所消耗的功率。若加速度為（單位為m/s^2），則發(fā)動機提供的功率Pe（單位為kW）應為 （3-4-2.2） 由Pe、n查取b，，進而算出單位時間油耗Qt;△u間隔內(nèi)的行駛時間為ti （3-4-2.3） 于是△u間隔內(nèi)的油耗Qi （3-4-2.4） 然后累加，及得一個勻加速段的油耗。 上述計算式把加速工況近似按穩(wěn)態(tài)工況計算的。實際上汽車加速時的油耗要比穩(wěn)態(tài)時高，因而計算油耗時可乘以非穩(wěn)態(tài)系數(shù)λ。加速時取λ=1.02～1.05，等速時λ=1。3.4.3計算減速段油耗 減速段油耗為正常怠速油耗。 減速時間t（單位為s）： （3-4-3.1）式中，Ua2、Ua3——減速段起始及終了車速，單位為km/h; ——減速段，單位為m/s^2。由循環(huán)圖可直接得到相應減速時間。減速段燃油消耗量Qd（單位為mL）為 （3-4-3.2）式中，：Qs——怠速油耗率，單位為mL/s。3.5發(fā)動機萬有特性曲線圖3.5.1采集實驗數(shù)據(jù)采集發(fā)動機各轉(zhuǎn)速下不同油門開度下的發(fā)動機功率及對應的燃油消耗率。3.5.2求方程系數(shù)利用最小二乘法原理解回歸方程的次數(shù)向量即可獲得實驗數(shù)據(jù)的回歸方程。（3-5）3.5.3繪制曲線a.根據(jù)實驗數(shù)據(jù)理合外特性曲線。b.利用meshgrid函數(shù)生成n，P范圍矩陣;將P與對應轉(zhuǎn)速下外特性Pe比較,將大的值設為空,生成新的n,P矩陣;利用contour函數(shù)繪出帶有外特性限制的萬有特性曲線。4設計計算程序界面介紹4.1主界面 主界面主要是為了考慮程序的完整性和美觀性。讓用戶使用得時候可以從主界面方便的進行各個程序界面的訪問和查看結(jié)果。內(nèi)容包括設計內(nèi)容、作者、開始、退出、圖形顯示。點擊“開始”按鈕，便可查看“輸入”，“結(jié)果輸出及圖形顯示”程序界面的結(jié)果。點擊“退出”結(jié)束程序。4.2參數(shù)輸入?yún)?shù)輸入界面是完成基本參數(shù)的輸入和調(diào)用，也可以根據(jù)要求修改任意參數(shù)的值。默認參數(shù)已經(jīng)顯示在界面上，可直接點擊“確認輸入”按鈕，調(diào)用默認的參數(shù)進行數(shù)據(jù)分析；若想修改參數(shù)，直接在對應位置處刪掉原參數(shù)，輸入新的參數(shù)，點擊“輸入”，即可進行后續(xù)計算及繪圖工作。點擊“上一步”返回主界面。點擊：“退出”便可退出操作。4.3結(jié)果輸出結(jié)果輸出界面是完成輸入任一擋、任意轉(zhuǎn)速后，點擊“確認”，即可計算出瞬時車速和瞬時油耗，點擊“計算油耗”按鈕組中的個按鈕，可分別計算出經(jīng)濟車速（90km/h）百公里油耗、ECE循環(huán)工況油耗、EUDC循環(huán)工況油耗、ECE+EUDC循環(huán)工況油耗；點擊“繪制曲線”按鈕組中的個按鈕，可分別繪出萬有特性曲線、等速百公里油耗曲線、ECE循環(huán)工況示意圖、EUDC循環(huán)工況示意圖、ECE+EUDC循環(huán)工況示意圖，圖形在界面的右方顯示。通過“上一步”按鈕，可以返回參數(shù)輸入界面，點擊“退出”按鈕，可直接關閉界面。5.設計計算結(jié)果與分析主界面主界面主要是顯示標題、圖片和進入?yún)?shù)輸入界面。要完成進入下一界面功能，要用到MATLAB函數(shù)中的CLOSE(gcf)--關閉當前活動窗口，打開另一個窗口。圖形的顯示可以用Image(imread(‘圖片的位置’))來表示。主界面的程序編制主要就是這兩個程序代碼的編寫，較為為簡單。剩下的便是拖入”TEXT”控件，修改控件名為希望的顯示結(jié)果即可。然后點擊”Run”可顯示結(jié)果。5.2參數(shù)輸入界面為了界面簡潔、美觀，在設置參數(shù)輸入界面時，并不需要顯示所有柴油機轎車的所有參數(shù)，對于在計算分析中沒有用到的，可以不顯示在界面上；對于在計算分析中涉及到得參數(shù)，應分類放置并合理布置，以使參數(shù)輸入界面整齊，有條理。參數(shù)輸入界面整體氛圍三大部分，第一部分是變速器各擋傳動比及總傳動效率，第二部分是整車參數(shù)，第三部分是車輪相關參數(shù)。界面的文字提示用“TXT”控件實現(xiàn)。而數(shù)據(jù)顯示可以用“EDIT”控件完成。參數(shù)的調(diào)用和顯示會用到“Set、Get、Num2str、Str2num”函數(shù)，具體的實現(xiàn)過程可參閱附錄Input.m文件。5.3結(jié)果輸出界面 在結(jié)果輸出時要完成對所輸入的任一擋數(shù)、任意轉(zhuǎn)速的瞬時車速和瞬時油耗的計算，同時要完成經(jīng)濟車速（90km/h）百公里油耗、ECE循環(huán)工況油耗、EUDC循環(huán)工況油耗、ECE+EUDC循環(huán)工況油耗的計算，并且繪出萬有特性曲線、等速百公里油耗曲線、ECE循環(huán)工況示意圖、EUDC循環(huán)工況示意圖、ECE+EUDC循環(huán)工況示意圖。在（1-1）中已經(jīng)寫明計算瞬時車速的方法，（1-2）對應的是計算瞬時油耗的方法，（1-4）是對應ECE循環(huán)工況油耗的計算方法，EUDC循環(huán)工況油耗的計算方法、ECE+EUDC循環(huán)工況油耗的計算和ECE循環(huán)工況油耗的計算方法一樣，其中ECE+EUDC循環(huán)工況油耗的計算是由四個ECE循環(huán)工況單元和一個ECE循環(huán)工況單元構成。例如：在默認輸入?yún)?shù)下，輸入的任一擋位選擇二擋，任意轉(zhuǎn)速選為2000n/min,點擊確認后，得到汽車的瞬時車速為28.7493km/h,汽車瞬時油耗為3.1374L。查閱相關資料，可知一般情況下，掛一檔時，轎車車速范圍大約為10～20km/h,二擋車速范圍約為20～30km/h，三擋車速范圍約為30～40km/h,四擋車速范圍約為40～60。由此可知該計算結(jié)果在此范圍內(nèi)，是符合實際情況的。經(jīng)濟車速（90km/h）百公里油耗、ECE循環(huán)工況油耗、EUDC循環(huán)工況油耗、ECE+EUDC循環(huán)工況油耗的計算是根據(jù)資料中所給的數(shù)據(jù)計算的，其中加速、減速、怠速、停車的時間和車速都是固定值，與所輸入的擋位數(shù)和發(fā)動機轉(zhuǎn)速數(shù)值無關，其計算所得數(shù)值分別為4.8169L、7.372L、具體詳細的編程代碼請參閱Output.m文件。5.3.2圖形結(jié)果顯示 發(fā)動機的萬有特性曲線是將發(fā)動機的功率Pe、轉(zhuǎn)矩Ttq以及燃油消耗率be與發(fā)動機曲軸轉(zhuǎn)速n之間的函數(shù)關系以曲線表示。該萬有特性曲線圖是一張二維平面圖（亦可用三維圖形表示），它是以發(fā)動機轉(zhuǎn)速n為橫坐標，以發(fā)動機功率為縱坐標，在圖上畫出許多等油耗率曲線。在萬有特性圖中，最層內(nèi)的等油耗率曲線是最經(jīng)濟的區(qū)域，耗油率最低。曲線愈向外，經(jīng)濟性愈差，從中很容易找出最經(jīng)濟的負荷和轉(zhuǎn)速。在進行轎車燃油經(jīng)濟性分析過程中，這個圖特別重要。根據(jù)發(fā)動機轉(zhuǎn)速n及阻力功率P，在萬有特性圖上（利用插值法），可確定相應的燃油消耗率b,已進行后續(xù)計算。具體詳細的算法參看“3.5發(fā)動機萬有特性曲線圖”，編程代碼請參閱Output.m文件。萬有特性曲線T-n萬有特性曲線P-n5.3.2.2等速百公里燃油消耗量曲線等速行駛百公里燃油消耗量是常用的一種評價指標，指汽車在一定載荷（我國標準規(guī)定，轎車為半載，貨車為滿載）下，以最高擋在水平良好路面上等速行駛100km的燃油消耗量。等速百公里燃油消耗量曲線圖是以汽車行駛車速Ua為橫坐標，以等速百公里燃油消耗量Qs為縱坐標。在此圖形的繪制工程中，是將車速Ua等分，利用車速Ua反過來求出該車速對應的轉(zhuǎn)速n和阻力功率P，然后在萬有特性曲線上找到對應轉(zhuǎn)速n、阻力功率P下的燃油消耗率b,再將阻力功率P、燃油消耗率b、車速Ua帶入公式（1-5），即可求得對應車速下的百公里燃油消耗量Qs。該圖中分別繪制出了最高檔和次高檔的等速百公里燃油消耗量曲線，其中藍色的為此高檔等速百公里燃油消耗量曲線，紅色的為最高擋等速百公里燃油消耗量曲線。由圖可知，百公里燃油消耗量都是隨著車速的增加而升高的，并且次高檔的等速百公里燃油消耗量曲線在最高擋上方，說明在車速和其它參數(shù)相等的情況下，次高檔與最高檔行駛相比，更加耗油一些。這是因為在同一道路條件與車速下，雖然發(fā)動機發(fā)出的功率相同，但擋位越低，后備功率越大，發(fā)動機的負荷率越低，燃油消耗率高，百公里燃油消耗量就越大，而是用最高擋時的情況則相反。由此可知，該曲線的繪制也是符合實際情況的。 具體詳細的編程代碼請參閱Output.m文件。等速百公里油耗曲線5.3.2.3EUDC循環(huán)工況示意圖等速行駛工況并沒有完全反應汽車的實際運行情況，特別是在市區(qū)行駛中頻繁出現(xiàn)的加速、減速、怠速停車等行駛工況。在對實際行駛車輛進行跟蹤測試統(tǒng)計的基礎上，各國都制定了一些典型的循環(huán)行駛試驗工況來模擬實際汽車運行狀況。此處即為城市循環(huán)工況（EUDC）示意圖。 循環(huán)工況規(guī)定了車速-時間行駛規(guī)范，例如：何時換擋、何時制動以及行駛的速度和加速度等數(shù)值。此處所參照的規(guī)定是：怠速40s——怠速、車輛減速、離合器脫離10s——換擋6s——加速103s——等速209s——s該ECE循環(huán)工況得試驗期間平均車速為62.6km/h，有效行駛時間為400s，每個循環(huán)理論行駛距離為6.955km，最大車速為120km,最大加速度為0.8減速33m/s^2,最大減速度為1.389m/s^2。參看輸出圖形，可知輸出圖形與給定循環(huán)工況情況相符合。具體數(shù)據(jù)參看《GB18352.2-2001輕型汽車污染物排放限值及測量方法》，計算過程參看“3.4EUDC汽車循環(huán)工況油耗”，程序代碼參閱Output.m文件。EUDC循環(huán)工況示意圖5.3.2.4ECE循環(huán)工況示意圖與上圖（EUDC）類似，此圖為郊區(qū)循環(huán)工況（ECE）示意圖。循環(huán)工況規(guī)定的車速-時間行駛規(guī)范為：怠速60s——怠速、車輛減速、離合器脫離9s——換擋8s——加速36s——等速57s——s。該ECE循環(huán)工況得試驗期間平均車速為19km/h，有效行駛時間為195s，每個循環(huán)理論行駛距離為1.013km，。參看輸出圖形，可知輸出圖形與給定循環(huán)工況情況相符合。具體數(shù)據(jù)參看《GB18352.2-2001輕型汽車污染物排放限值及測量方法》，計算過程參看“3.4ECE汽車循環(huán)工況油耗”，程序代碼參閱Output.m文件。ECE循環(huán)工況示意圖5.3.2.5ECE+EUDC循環(huán)工況示意圖該循環(huán)工況是由一部市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)（ECE）和二部郊區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)(EUDC)組成。其中一部由四個市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)（ECE）單元構成，市區(qū)運轉(zhuǎn)循環(huán)單元平均車速為19km/h,總計時間為780s其當量行駛距離為4.052km。市郊運轉(zhuǎn)循環(huán)平均車速為62.6km/h,最大車速為120km/h,時間為400s,當量行駛距離為6.955km。具體數(shù)據(jù)參看《GB18352.2-2001輕型汽車污染物排放限值及測量方法》，計算過程參看“3.4ECE+EUDC汽車循環(huán)工況油耗”，程序代碼參閱OutputDlg.m文件。ECE+EUDC循環(huán)工況示意圖6設計體會本次課程設計主要任務是運用所學到MATLAB知識，對六擋柴油機轎車的經(jīng)濟性進行編程分析，計算出汽車的汽車經(jīng)濟車速百公里油耗（90km/h）、某一擋位、某一發(fā)動機轉(zhuǎn)速時，汽車的瞬時車速及瞬時百公里油耗和汽車循環(huán)工況油耗（ECE、EUDC、ECE+EUDC工況循環(huán)油耗）。并且編程畫出發(fā)動機萬有特性曲線圖、汽車等速百公里油耗曲線圖和汽車行駛循環(huán)工況示意圖。本次課設的基本過程可分為三步，首先，對程序界面進行編輯與分析，得到大致的輪廓，界面應盡量做到清晰美觀，實用性強，具有一定的通用性；其次，編寫相應的程序，通過程序并利用已知數(shù)據(jù)去滿足設計要求，對于一些對設計沒有關系的參數(shù)可以不必設計輸入，盡量做到明了化；最后，通過修改界面與改進程序，實現(xiàn)界面與程序的結(jié)合，在編制按鈕的功能時候要兼顧前后界面的連續(xù)性。在設計過程中遇到過很多問題，最后都在老師或同學的幫助下得到了解決。譬如最開始由于對GUI的運用還不是很熟練，經(jīng)常出錯，后來通過與同組的人進行交流與學習，逐步能夠較為熟練的去運用GUI了。整個設計過程中最難的就是萬有特性的曲線的繪制，通過與小組成員的討論，我們得到過幾套求解方案，但是到后來都是無功而反。最后在老師的指導下，我們逐漸向正確的求解方案靠攏了，最終決定的方案是先求解回歸方程的系數(shù)向量，再根據(jù)回歸方程系數(shù)向量得到實驗數(shù)據(jù)的回歸方程。在系數(shù)的求解過程中，起初直接運用矩陣相除法去求解系數(shù)，可是計算過程十分煩瑣，后來用老師給我們介紹的[Q,R]=qr(MM,0)函數(shù)，很