柴油机轿车燃油经济性能仿真计算MATLAB.docx

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柴油机轿车燃油经济性能仿真计算MATLAB

汽车工业学院

HubeiAutomotiveIndustriesInstitute

课程设计说明书

课程名称汽车设计

设计题目柴油机轿车燃油经济性能仿真计算（MATLAB）

班号T843-4专业车辆工程学号200804304XX

学生XXX

同组人

指导教师（签字）

成绩

起止日期2011年12月5日--2012年2月24日

1设计任务及要求……………………………………………………………………………3

1.1设计任务…………………………………………………………………………………3

1.2设计要求…………………………………………………………………………………3

2设计计算输入参数…………………………………………………………………………3

3设计计算过程………………………………………………………………………………4

3.1．汽车瞬时车速的计算…………………………………………………………………4

3.2．汽车瞬时油耗的计算…………………………………………………………………4

3.3．汽车经济车速（90km/h）百公里油耗的计算………………………………………4

3.4.ECE、EUDC、ECE+EUDC汽车循环工况油耗……………………………………4

3.4.1计算等速油耗………………………………………………………………………4

3.4.2加速行驶工况燃油消耗量的计算…………………………………………………4

3.4.1计算减速段油耗……………………………………………………………………5

3.5发动机万有特性曲线图…………………………………………………………………5

3.5.1采集实验数据………………………………………………………………………5

3.5.2求方程系数…………………………………………………………………………5

3.5.3绘制曲线……………………………………………………………………………6

4设计计算程序界面介绍……………………………………………………………………6

4.1主界面…………………………………………………………………………………6

4.2参数输入…………………………………………………………………………………6

4.3结果输出…………………………………………………………………………………7

5设计计算结果………………………………………………………………………………9

5.1主界面……………………………………………………………………………………9

5.2参数输入…………………………………………………………………………………10

5.3结果输出界面……………………………………………………………………………11

5.3.1数据计算结果显示…………………………………………………………………11

5.3.2图形结果显示………………………………………………………………………12

5.3.2.1发动机万有特性曲线…………………………………………………………12

5.3.2.2等速百公里燃油消耗量曲线…………………………………………………13

5.3.2.3ECE循环工况示意图…………………………………………………………14

5.3.2.4EUDC循环工况示意图………………………………………………………15

5.3.2.5ECE+EUDC循环工况示意图………………………………………………16

6设计体会……………………………………………………………………………………17

7参考文献……………………………………………………………………………………18

1.设计任务及要求

1.1设计任务

通过采用MATLAB语言，学会编制程序对四挡柴油机轿车燃油经济性进行分析计算，得到以下的数据和图形。

数据：

（1）柴油机轿车经济车速百公里油耗（90km/h）

（2）某一挡位、某一发动机转速时，汽车的瞬时车速及瞬时百公里油耗

（3）汽车循环工况油耗（ECE、EUDC、ECE+EUDC工况循环油耗）

图形：

（1）发动机万有特性曲线图

（2）汽车等速百公里油耗曲线图

（3）汽车行驶循环工况示意图（ECE、EUDC、ECE+EUDC工况循环示意图）

1.2设计要求

程序应满足以下要求：

（1）在给定足够参数时能自动计算得到以上所有数据和图形，并保证一定计算精度；

（2）程序具有一定的通用性，能够满足多种车型燃油经济性计算的要求；

（3）界面友好，使用灵活方便。

2.设计计算输入参数

根据给定的任务要求，确定需要的六挡柴油机轿车基本参数。

整备质量（kg）M=1550

满载质量（kg）M=1925

迎风面积（mm^2）A=2.11mm^2

风阻系数Cd=0.31

轮胎滚动阻力系数f=0.0112

静力半径（mm）R=291

滚动半径（mm）R=307

轴距（mm）L=2700

六挡变速器一挡传动比ig1=3.333

六挡变速器二挡传动比ig2=2.042

六挡变速器二挡传动比ig3=1.257

六挡变速器二挡传动比ig4=0.909

六挡变速器二挡传动比ig5=0.902

六挡变速器二挡传动比ig6=0.773

主减速器传动比io=3.943

发动机最大转速（r/min）n=4000

发动机最大扭矩（Nm）Ttq=271

3.设计计算过程

3.1汽车瞬时车速的计算

发动机转速与汽车行驶车速之间的关系式为

（3-1）

式中，Ua为汽车行驶速度（km/h）;n为发动机转速（r/min）;r为车轮半径（m）;ig为变速器传动比；io为主减速器传动比。

3.2汽车瞬时油耗的计算

在万有特性曲线上有等燃油消耗率曲线。

根据等速行驶车速Ua及阻力功率P，在万有特性图上（利用插值法），可确定相应的燃油消耗率b，从而计算出以该车速行驶时单位时间的燃油消耗量（mL/s）为

（3-2.1）

式中，b为燃油消耗率[g/（kW*h）];ρ为燃油的密度（kg/L）;g为重力加速度（m/s^2）,汽车的ρg可取为6.96～7.15N/L,柴油可取为7.94～8.13N/L，在此柴油机轿车燃油经济性分析的课程设计中取值为8N/L。

这算成等速百公里燃油消耗量（L/100km）为

（3-2.2）

3.3汽车经济车速（90km/h）百公里油耗的计算

柴油机经济车速为90km/h，则将Ua=90km/h代入（1-3）中，即可算出该经济车速百公里油耗量（L/100km）

3.4ECE、EUDC、ECE+EUDC汽车循环工况油耗

3.4.1计算等速油耗

由车速Ua可计算车发动机转速n，以及汽车行驶时的阻力功率

，根据等速行驶车速Ua及阻力功率P，在万有特性图上（利用插值法）可确定相应的燃油消耗率b，从而计算出以该车速行驶时单位时间的燃油消耗量Qt（mL/s）

（3-4-1.1）

式中，b——燃油消耗量，单位为g/（kW*h）;

γ——燃油重度，汽油6.96～7.15N/L，柴油7.94～8.13N/L,在此柴油机轿车燃油经济性分析的课程设计中取值为8N/L。

百公里燃油消耗量Qs（单位为mL/s）为

（3-4-1.2）

3.4.2加速行驶工况燃油消耗量的计算

按图积分法，把每一加速度段分成若干个速度间隔△V（一般为（1km/h））,逐个计算每个区间的燃油消耗量，并累加起来，即为一个加速段的油耗。

首先，由匀加速段的初速度和末速度算出加速度

（单位为m/s^2），在算Fj和各速度间隔的转速n以及Fj、Fw，于是所需的驱动力

（3-4-2.1）

再计算Pe，在汽车加速行驶时，发动机还要提供为克服加速阻力所消耗的功率。

若加速度为

（单位为m/s^2），则发动机提供的功率Pe（单位为kW）应为

（3-4-2.2）

由Pe、n查取b，，进而算出单位时间油耗Qt;△u间隔的行驶时间为ti

（3-4-2.3）

于是△u间隔的油耗Qi

（3-4-2.4）

然后累加

，及得一个匀加速段的油耗。

上述计算式把加速工况近似按稳态工况计算的。

实际上汽车加速时的油耗要比稳态时高，因而计算油耗时可乘以非稳态系数λ。

加速时取λ=1.02～1.05，等速时λ=1。

3.4.3计算减速段油耗

减速段油耗为正常怠速油耗。

减速时间t（单位为s）：

（3-4-3.1）

式中，Ua2、Ua3——减速段起始及终了车速，单位为km/h;

——减速段，单位为m/s^2。

由循环图可直接得到相应减速时间。

减速段燃油消耗量Qd（单位为mL）为

（3-4-3.2）

式中，：

Qs——怠速油耗率，单位为mL/s。

3.5发动机万有特性曲线图

3.5.1采集实验数据

采集发动机各转速下不同油门开度下的发动机功率及对应的燃油消耗率。

3.5.2求方程系数

利用最小二乘法原理解回归方程的次数向量即可获得实验数据的回归方程。

（3-5）

3.5.3绘制曲线

a.根据实验数据理合外特性曲线。

b.利用meshgrid函数生成n，P围矩阵;将P与对应转速下外特性Pe比较,将大的值设为空,生成新的n,P矩阵;利用contour函数绘出带有外特性限制的万有特性曲线。

4设计计算程序界面介绍

4.1主界面

主界面主要是为了考虑程序的完整性和美观性。

让用户使用得时候可以从主界面方便的进行各个程序界面的访问和查看结果。

容包括设计容、作者、开始、退出、图形显示。

点击“开始”按钮，便可查看“输入”，“结果输出及图形显示”程序界面的结果。

点击“退出”结束程序。

4.2参数输入

参数输入界面是完成基本参数的输入和调用，也可以根据要求修改任意参数的值。

默认参数已经显示在界面上，可直接点击“确认输入”按钮，调用默认的参数进行数据分析；若想修改参数，直接在对应位置处删掉原参数，输入新的参数，点击“输入”，即可进行后续计算及绘图工作。

点击“上一步”返回主界面。

点击：

“退出”便可退出操作。

4.3结果输出

结果输出界面是完成输入任一挡、任意转速后，点击“确认”，即可计算出瞬时车速和瞬时油耗，点击“计算油耗”按钮组中的个按钮，可分别计算出经济车速（90km/h）百公里油耗、ECE循环工况油耗、EUDC循环工况油耗、ECE+EUDC循环工况油耗；点击“绘制曲线”按钮组中的个按钮，可分别绘出万有特性曲线、等速百公里油耗曲线、ECE循环工况示意图、EUDC循环工况示意图、ECE+EUDC循环工况示意图，图形在界面的右方显示。

通过“上一步”按钮，可以返回参数输入界面，点击“退出”按钮，可直接关闭界面。

5.设计计算结果与分析

5.1主界面

主界面主要是显示标题、图片和进入参数输入界面。

要完成进入下一界面功能，要用到MATLAB函数中的CLOSE（gcf）--关闭当前活动窗口，打开另一个窗口。

图形的显示可以用Image（imread（‘图片的位置’））来表示。

主界面的程序编制主要就是这两个程序代码的编写，较为为简单。

剩下的便是拖入”TEXT”控件，修改控件名为希望的显示结果即可。

然后点击”Run”可显示结果。

5.2参数输入界面

为了界面简洁、美观，在设置参数输入界面时，并不需要显示所有柴油机轿车的所有参数，对于在计算分析中没有用到的，可以不显示在界面上；对于在计算分析中涉及到得参数，应分类放置并合理布置，以使参数输入界面整齐，有条理。

参数输入界面整体氛围三大部分，第一部分是变速器各挡传动比及总传动效率，第二部分是整车参数，第三部分是车轮相关参数。

界面的文字提示用“TXT”控件实现。

而数据显示可以用“EDIT”控件完成。

参数的调用和显示会用到“Set、Get、Num2str、Str2num”函数，具体的实现过程可参阅附录Input.m文件。

5.3结果输出界面

　　　5.3.1数据计算结果显示

在结果输出时要完成对所输入的任一挡数、任意转速的瞬时车速和瞬时油耗的计算，同时要完成经济车速（90km/h）百公里油耗、ECE循环工况油耗、EUDC循环工况油耗、ECE+EUDC循环工况油耗的计算，并且绘出万有特性曲线、等速百公里油耗曲线、ECE循环工况示意图、EUDC循环工况示意图、ECE+EUDC循环工况示意图。

在（1-1）中已经写明计算瞬时车速的方法，（1-2）对应的是计算瞬时油耗的方法，（1-4）是对应ECE循环工况油耗的计算方法，EUDC循环工况油耗的计算方法、ECE+EUDC循环工况油耗的计算和ECE循环工况油耗的计算方法一样，其中ECE+EUDC循环工况油耗的计算是由四个ECE循环工况单元和一个ECE循环工况单元构成。

例如：

在默认输入参数下，输入的任一挡位选择二挡，任意转速选为2000n/min,点击确认后，得到汽车的瞬时车速为28.7493km/h,汽车瞬时油耗为3.1374L。

查阅相关资料，可知一般情况下，挂一档时，轿车车速围大约为10～20km/h,二挡车速围约为20～30km/h，三挡车速围约为30～40km/h,四挡车速围约为40～60。

由此可知该计算结果在此围，是符合实际情况的。

经济车速（90km/h）百公里油耗、ECE循环工况油耗、EUDC循环工况油耗、ECE+EUDC循环工况油耗的计算是根据资料中所给的数据计算的，其中加速、减速、怠速、停车的时间和车速都是固定值，与所输入的挡位数和发动机转速数值无关，其计算所得数值分别为4.8169L、7.372L、5.8128L、6.4864L。

具体详细的编程代码请参阅Output.m文件。

5.3.2图形结果显示

5.3.2.1发动机万有特性曲线

发动机的万有特性曲线是将发动机的功率Pe、转矩Ttq以及燃油消耗率be与发动机曲轴转速n之间的函数关系以曲线表示。

该万有特性曲线图是一二维平面图（亦可用三维图形表示），它是以发动机转速n为横坐标，以发动机功率为纵坐标，在图上画出许多等油耗率曲线。

在万有特性图中，最层的等油耗率曲线是最经济的区域，耗油率最低。

曲线愈向外，经济性愈差，从中很容易找出最经济的负荷和转速。

在进行轿车燃油经济性分析过程中，这个图特别重要。

根据发动机转速n及阻力功率P，在万有特性图上（利用插值法），可确定相应的燃油消耗率b,已进行后续计算。

具体详细的算法参看“3.5发动机万有特性曲线图”，编程代码请参阅Output.m文件。

万有特性曲线T-n

万有特性曲线P-n

5.3.2.2等速百公里燃油消耗量曲线

等速行驶百公里燃油消耗量是常用的一种评价指标，指汽车在一定载荷（我国标准规定，轿车为半载，货车为满载）下，以最高挡在水平良好路面上等速行驶100km的燃油消耗量。

等速百公里燃油消耗量曲线图是以汽车行驶车速Ua为横坐标，以等速百公里燃油消耗量Qs为纵坐标。

在此图形的绘制工程中，是将车速Ua等分，利用车速Ua反过来求出该车速对应的转速n和阻力功率P，然后在万有特性曲线上找到对应转速n、阻力功率P下的燃油消耗率b,再将阻力功率P、燃油消耗率b、车速Ua带入公式（1-5），即可求得对应车速下的百公里燃油消耗量Qs。

该图中分别绘制出了最高档和次高档的等速百公里燃油消耗量曲线，其中蓝色的为此高档等速百公里燃油消耗量曲线，红色的为最高挡等速百公里燃油消耗量曲线。

由图可知，百公里燃油消耗量都是随着车速的增加而升高的，并且次高档的等速百公里燃油消耗量曲线在最高挡上方，说明在车速和其它参数相等的情况下，次高档与最高档行驶相比，更加耗油一些。

这是因为在同一道路条件与车速下，虽然发动机发出的功率相同，但挡位越低，后备功率越大，发动机的负荷率越低，燃油消耗率高，百公里燃油消耗量就越大，而是用最高挡时的情况则相反。

由此可知，该曲线的绘制也是符合实际情况的。

具体详细的编程代码请参阅Output.m文件。

等速百公里油耗曲线

5.3.2.3EUDC循环工况示意图

等速行驶工况并没有完全反应汽车的实际运行情况，特别是在市区行驶中频繁出现的加速、减速、怠速停车等行驶工况。

在对实际行驶车辆进行跟踪测试统计的基础上，各国都制定了一些典型的循环行驶试验工况来模拟实际汽车运行状况。

此处即为城市循环工况（EUDC）示意图。

循环工况规定了车速-时间行驶规，例如：

何时换挡、何时制动以及行驶的速度和加速度等数值。

此处所参照的规定是：

怠速40s——怠速、车辆减速、离合器脱离10s——换挡6s——加速103s——等速209s——

s

该ECE循环工况得试验期间平均车速为62.6km/h，有效行驶时间为400s，每个循环理论行驶距离为6.955km，最大车速为120km,最大加速度为0.8减速33m/s^2,最大减速度为1.389m/s^2。

参看输出图形，可知输出图形与给定循环工况情况相符合。

具体数据参看《GB18352.2-2001轻型汽车污染物排放限值及测量方法》，计算过程参看“3.4EUDC汽车循环工况油耗”，程序代码参阅Output.m文件。

EUDC循环工况示意图

5.3.2.4ECE循环工况示意图

与上图（EUDC）类似，此图为郊区循环工况（ECE）示意图。

循环工况规定的车速-时间行驶规为：

怠速60s——怠速、车辆减速、离合器脱离9s——换挡8s——加速36s——等速57s——

s。

该ECE循环工况得试验期间平均车速为19km/h，有效行驶时间为195s，每个循环理论行驶距离为1.013km，。

参看输出图形，可知输出图形与给定循环工况情况相符合。

具体数据参看《GB18352.2-2001轻型汽车污染物排放限值及测量方法》，计算过程参看“3.4ECE汽车循环工况油耗”，程序代码参阅Output.m文件。

ECE循环工况示意图

5.3.2.5ECE+EUDC循环工况示意图

该循环工况是由一部市区运转循环（ECE）和二部郊区运转循环（EUDC）组成。

其中一部由四个市区运转循环（ECE）单元构成，市区运转循环单元平均车速为19km/h,总计时间为780s其当量行驶距离为4.052km。

市郊运转循环平均车速为62.6km/h,最大车速为120km/h,时间为400s,当量行驶距离为6.955km。

具体数据参看《GB18352.2-2001轻型汽车污染物排放限值及测量方法》，计算过程参看“3.4ECE+EUDC汽车循环工况油耗”，程序代码参阅OutputDlg.m文件。

ECE+EUDC循环工况示意图

6设计体会

本次课程设计主要任务是运用所学到MATLAB知识，对六挡柴油机轿车的经济性进行编程分析，计算出汽车的汽车经济车速百公里油耗（90km/h）、某一挡位、某一发动机转速时，汽车的瞬时车速及瞬时百公里油耗和汽车循环工况油耗（ECE、EUDC、ECE+EUDC工况循环油耗）。

并且编程画出发动机万有特性曲线图、汽车等速百公里油耗曲线图和汽车行驶循环工况示意图。

本次课设的基本过程可分为三步，首先，对程序界面进行编辑与分析，得到大致的轮廓，界面应尽量做到清晰美观，实用性强，具有一定的通用性；其次，编写相应的程序，通过程序并利用已知数据去满足设计要求，对于一些对设计没有关系的参数可以不必设计输入，尽量做到明了化；最后，通过修改界面与改进程序，实现界面与程序的结合，在编制按钮的功能时候要兼顾前后界面的连续性。

在设计过程中遇到过很多问题，最后都在老师或同学的帮助下得到了解决。

譬如最开始由于对GUI的运用还不是很熟练，经常出错，后来通过与同组的人进行交流与学习，逐步能够较为熟练的去运用GUI了。

整个设计过程中最难的就是万有特性的曲线的绘制，通过与小组成员的讨论，我们得到过几套求解方案，但是到后来都是无功而反。

最后在老师的指导下，我们逐渐向正确的求解方案靠拢了，最终决定的方案是先求解回归方程的系数向量，再根据回归方程系数向量得到实验数据的回归方程。

在系数的求解过程中，起初直接运用矩阵相除法去求解系数，可是计算过程十分烦琐，后来用老师给我们介绍的[Q,R]=qr（MM,0）函数，很简单明了的就求解出了该系数。

整个设计过程就是一个不断修改与完善的过程，逐步细化，逐步优化，最终实现。

设计过程曲曲折折，遇到过很多问题，走过很多弯路，不过在老师的指导下，同学的帮助下以及同组人员的共同努力下，各种问题到最后都得到了相应的解决。

通过本次设计，我从中也体会到了很多设计的理念，提高了自学能力以及和同学的协作能力，为以后的发展奠定了基础。

同时也让我很深刻的意识到了MATLAB的强大的计算功能，很多人工或者用其他软件算起来很麻烦的事，用MATLAB就可以通过几条简洁的语句去实现。

也可以看出灵活云运用好专业软件对一个设计人员来说是多么的重要。

辅导老师提问：

在辅导老师检查课设时，发现了万有特性曲线标注过密，按键设置不够人性化，操作复杂，以及程序冗长等问题。

老师也提出了宝贵的改正建议。

按照老师所给的建议，我对程序进行了进一步的改进，比如用clabel（c,h,v）代替原来的clabel（c,h）来实现对万有特性图的手动标注。

用buttongroup代替panel来实现对曲线的单一选择。

把档位的选择改为下拉菜单以方便数据选择。

此外，在指导老师的建议下，我把通用程序改为子程序，程序运行时用主程序调用子程序。

课设中，老师提出的问题十分宝贵，我也从中学到了很多。

7参考文献

【1】余志生.汽车理论（第4版）.：

机械工业，2006.5

【2】汽车工业学院院汽车工程系.MATLAB在汽车上的应用.2009.9

【3】关志伟、玲、施继红、吴明.基于MATLAB语言的发动机万有特性研究.吉宁农业大学学报.2003.25（3）：

339～342

【4】GB18352.2-2001轻型汽车污染物排放限值及测量方法

８附录

具体的程序清单（电子挡）：

主界面程序………………Main.m

参数输入界面程序………Input.m

结果输出界面程序………Outpu.m