第二章 汽车的燃油经济性2.1“车开得慢,油门踩得小,就一定省油”,或者“只要发动机省油,汽车就一定省油”这两种说法对不对?答:不对。由汽车百公里等速耗油量图,汽车一般在接近低速的中等车速时燃油消耗量最低,并不是在车速越低越省油。由汽车等速百公里油耗算式(2-1)知,汽车油耗量不仅与发动机燃油消耗率有关,而且还与发动机功率以及车速有关,发动机省油时汽车不一定就省油。2.2试述无级变速器与汽车动力性、燃油经济性的关系。答:为了最大限度提高汽车的动力性,要求无级变速器的传动比使得发动机在任何车速下都能发出最大功率。为了提高汽车的燃油经济性,应该根据“最小燃油消耗特性”曲线确定无级变速器的调节特性。二者的要求是不一致的,一般地,无级变速器的工作模式应该在加速阶段具有良好的动力性,在正常行驶状态具有较好的经济性。2.3用发动机的“最小燃油消耗特性”和克服行驶阻力应提供的功率曲线,确定保证发动机在最经济状况下工作的“无级变速器调节特性”。答:由发动机在各种转速下的负荷特性曲线的包络线即为发动机提供一定功率时的最低燃油消耗率曲线,如课本图2-11a。利用此图可以找出发动机提供一定功率时的最经济状况(转速与负荷)。把各功率下最经济状况运转的转速与负荷率表明在外特性曲线上,便得到“最小燃油消耗特性”。无级变速器的传动比i'与发动机转速n及汽车行驶速度之间关系(),便可确定无级变速器的调节特性,具体方法参见课本P52。2.4如何从改进汽车底盘设计方面来提高燃油经济性?答:汽车底盘设计应该从合理匹配传动系传动比、缩减尺寸和减轻质量来提高燃油经济性。2.5为什么汽车发动机与传动系统匹配不好会影响汽车燃油经济性与动力性?试举例说明。(结合功率平衡图,以传动系最小传动比的选择原则为例,试分析:当发动机发出的功率相同时,传动系传动比的大小对汽车燃油经济性与动力性的影响?)答:在一定道路条件下和车速下,虽然发动机发出的功率相同,但传动比大时,后备功率越大,加速和爬坡能力越强,但发动机负荷率越低,燃油消耗率越高,百公里燃油消耗量就越大,传动比小时则相反。所以传动系统的设计应该综合考虑动力性和经济性因素。如最小传动比的选择,根据汽车功率平衡图可得到最高车速umax(驱动力曲线与行驶阻力曲线的交点处车速),发动机达到最大功率时的车速为up。当主传动比较小时,up>umax,汽车后备功率小,动力性差,燃油经济性好。当主传动比较大时,则相反。最小传动比的选择则应使up与umax相近,不可为追求单纯的动力性或经济性而降低另一方面的性能。2.6试分析超速档对汽车动力性和燃油经济性的影响。答:汽车在超速档行驶时,发动机负荷率高,燃油经济性好。但此时,汽车后备功率小,所以需要设计合适的次一挡传动比保证汽车的动力性需要。2.7已知货车装用汽油发动机的负荷特性与万有特性。负荷特性曲线的拟合公式为:。其中,b为燃油消耗率[g/(kW•h)];Pe为发动机净功率(kW);拟合式中的系数随转速n变化。怠速油耗(怠速转速400r/min)。计算与绘制题1.3中货车的1)汽车功率平衡图。2)最高档与次高档的等速百公里油耗曲线3)利用计算机求货车按JB3352-83规定的六工况循环行驶的百公里油耗。计算中确定燃油消耗值b时,若发动机转速与负荷特性中给定的转速不相等,可由相邻转速的两根曲线用插值法求得。注意:发动机净功率和外特性功率的概念不同。发动机外特性功率是发动机节气门全开时的功率,计算公式为,在某一转速下,外特性功率是唯一确定的。发动机净功率则表示发动机的实际发出功率,可以根据汽车行驶时的功率平衡求得,和转速没有一一对应关系。

解:(1)汽车功率平衡图

发动机功率在各档下的功率、汽车经常遇到的阻力功率对车速的关系曲线即为汽车功率平衡图,其中:

=,

——为发动机转矩(单位为)

编程计算,汽车的功率平衡图为:

2)最高档和次高档的等速百公里油耗曲线

先确定最高档和次高档的发动机转速的范围,然后利用,求出对应档位的车速。由于汽车是等速行驶,因此发动机发出的功率应该与汽车受到的阻力功率折合到曲轴上的功率相等,即

。然后根据不同的和,用题中给出的拟合公式求出对应工况的燃油消耗率。先利用表中的数据,使用插值法,求出每个值所对应的拟合式系数:。在这里为了保证曲线的光滑性,使用了三次样条插值。利用求得的各个车速对应下的功率求出对应的耗油量燃油消耗率。利用公式:,即可求出对应的车速的百公里油耗()。

实际绘出的最高档与次高档的等速百公里油耗曲线如下:

从图上可以明显看出,第三档的油耗比在同一车速下,四档的油耗高得多。这是因为在同一车速等速行驶下,汽车所受到的阻力基本相等,因此基本相等,但是在同一车速下,三档的负荷率要比四档小。这就导致了四档的油耗较小。

但是上图存在一个问题,就是在两头百公里油耗的变化比较奇怪。这是由于插值点的范围比节点的范围要来得大,于是在转速超出了数据给出的范围的部分,插值的结果是不可信的。但是这对处在中部的插值结果影响不大。而且在完成后面部分的时候发现,其实只需使用到中间的部分即可。

(3)按JB3352-83规定的六工况循环行驶的百公里油耗。

从功率平衡图上面可以发现,III档与IV档可以满足六工况测试的速度范围要求。分为III档和IV档进行计算。

先求匀速行驶部分的油耗

先使用,求出在各个速度下,发动机所应该提供的功率。然后利用插值法求出,三个匀速行驶速度对应的燃油消耗率

。由求出三段匀速行驶部分的燃油消耗量(mL)。

计算的结果如下:

再求匀加速阶段:

对于每个区段,以为区间对速度区段划分。对应每一个车速,都可以求出对应的发动机功率:。此时,车速与功率的关系已经发生改变,因此应该要重新对燃油消耗率的拟合公式中的系数进行插值。插值求出对应的各个车速的燃油消耗率,进而用求出每个速度对应的燃油消耗率。每小段的加速时间:。每一个小区间的燃油消耗量:。对每个区间的燃油消耗量求和就可以得出加速过程的燃油消耗量。

计算结果如下:

匀减速阶段:

对于匀减速阶段,发动机处在怠速工况。怠速燃油消耗率是一定值。只要知道匀减速阶段的时间,就可以求出耗油量:。

。

根据以上的计算,可以求出该汽车分别在三档和四档的六工况耗油量:

三档:

四档:

计算程序:

主函数(chazhi.m):

%2-7题的2、3问的程序

clear

global f G CDA yita m r If Iw1 Iw2 pg i0 B0 B1 B2 B3 B4 n %声明全局变量

ig=[6.09,3.09,1.71,1.00];r=0.367;

i0=5.83;yita=0.85;CDA=2.77;f=0.013;

G=(3880)*9.8;If=0.218;Iw1=1.798;Iw2=3.598;m=3880; %汽车的基本参数设定

n0=[815 1207 1614 2012 2603 3006 3403 3804];

B00=[1326.8 1354.7 1284.4 1122.9 1141.0 1051.2 1233.9 1129.7];

B10=[-416.46 -303.98 -189.75 -121.59 -98.893 -73.714 -84.478 -45.291];

B20=[72.379 36.657 14.524 7.0035 4.4763 2.8593 2.9788 0.71113];

B30=[-5.8629 -2.0553 -0.51184 -0.18517 -0.091077 -0.05138 -0.047449 -0.00075215];

B40=[0.17768 0.043072 0.0068164 0.0018555 0.00068906 0.00035032 0.00028230 -0.000038568];

n=600:1:4000;

B0=spline(n0,B00,n);

B1=spline(n0,B10,n);

B2=spline(n0,B20,n); %使用三次样条插值,保证曲线的光滑连续

B3=spline(n0,B30,n);

B4=spline(n0,B40,n);

ua3=0.377*r.*n./(i0*ig(3)); %求出发动机转速范围内对应的III、IV档车速

ua4=0.377*r.*n./(i0*ig(4));

F3=f*G+CDA*(ua3.^2)/21.15; %求出滚动阻力和空气阻力的和

F4=f*G+CDA*(ua4.^2)/21.15;

P_fw3=F3.*ua3./(yita*3.6*1000); %求出阻力功率

P_fw4=F4.*ua4./(yita*3.6*1000);

for i=1:1:3401 %用拟合公式求出各个燃油消耗率

b3(i)=B0(i)+B1(i)*P_fw3(i)+B2(i)*(P_fw3(i))^2+B3(i)*(P_fw3(i))^3+B4(i)*(P_fw3(i))^4;

b4(i)=B0(i)+B1(i)*P_fw4(i)+B2(i)*(P_fw4(i))^2+B3(i)*(P_fw4(i))^3+B4(i)*(P_fw4(i))^4;

end

pg=7.06; %汽油的重度取7.06N/L

Q3=P_fw3.*b3./(1.02.*ua3.*pg);

Q4=P_fw4.*b4./(1.02.*ua4.*pg);

plot(ua3,Q3,'r') %绘制等速百公里燃油消耗率曲线

hold on

plot(ua4,Q4)

gtext('车速u_a/(km/h)'),gtext('百公里油耗Qs/[L(100km)^-1]'),gtext('III'),gtext('IV');

ua3_m=[25,40,50]; %匀速阶段的车速

s_m=[50,250,250]; %每段匀速走过的距离

b3_m=spline(ua3,b3,ua3_m) ; %插值得出对应速度的燃油消耗率

F3_m=f*G+CDA*(ua3_m.^2)/21.15; %车速对应的阻力

P_fw3_m=F3_m.*ua3_m./(yita*3.6*1000) %发动机功率

Q3_m=P_fw3_m.*b3_m.*s_m./(102.*ua3_m.*pg) %求燃油消耗量

ua4_m=[25,40,50]; %匀速阶段的车速

s_m=[50,250,250]; %每段匀速走过的距离

b4_m=spline(ua4,b4,ua4_m); %插值得出对应速度的燃油消耗率

F4_m=f*G+CDA*(ua4_m.^2)/21.15; %车速对应的阻力

P_fw4_m=F4_m.*ua4_m./(yita*3.6*1000) %发动机功率

Q4_m=P_fw4_m.*b4_m.*s_m./(102.*ua4_m.*pg)

Q3_a1=jiasu(40,25,ig(3),0.25,ua3) %调用函数,求出每段的燃油消耗量

Q3_a2=jiasu(50,40,ig(3),0.2,ua3)

Q4_a1=jiasu(40,25,ig(4),0.25,ua4)

Q4_a2=jiasu(50,40,ig(4),0.2,ua4)

Qid=0.299;tid=19.3;s=1075;

Q_i=Qid*tid; %求出减速阶段的燃油消耗量

⏺

Q3all=(sum(Q3_m)+Q3_a1+Q3_a2+Q_i)*100/s %III档六工况百公里燃油消耗量

Q4all=(sum(Q4_m)+Q4_a1+Q4_a2+Q_i)*100/s %IV档六工况百公里燃油消耗量

子程序(jiasu.m)

%加速阶段处理函数

function q=jiasu(umax,umin,ig,a,ua0);

global f G CDA yita m r If Iw1 Iw2 pg i0 B0 B1 B2 B3 B4 n;

ua1=umin:1:umax; %把速度范围以1km/h为间隔进行划分

delta=1+(Iw1+Iw2)/(m*r^2)+(If*ig^2*i0^2*yita)/(m*r^2);

P0=(G*f.*ua0./3600+CDA.*ua0.^3/76140+(delta*m.*ua0/3600)*a)/yita;

P=(G*f.*ua1/3600+CDA.*ua1.^3/76140+(delta*m.*ua1/3600)*a)/yita;

dt=1/(3.6*a) ; %速度每增加1km/h所需要的时间

for i=1:1:3401 %重新利用拟合公式求出b与ua的关系

b0(i)=B0(i)+B1(i)*P0(i)+B2(i)*(P0(i))^2+B3(i)*(P0(i))^3+B4(i)*(P0(i))^4;

end

b1=interp1(ua0,b0,ua1); %插值出各个速度节点的燃油消耗率

Qt=P.*b1./(367.1.*pg); %求出各个速度节点的燃油消耗率

i1=size(Qt);

i=i1(2);

Qt1=Qt(2:i-1)

q=(Qt(1)+Qt(i))*dt./2+sum(Qt1)*dt %求该加速阶段的燃油消耗量

整车整备质量 1800kg

总质量 3880kg

车轮半径 0.367m

传动系机械效率 η=0.85

滚动阻力系数 f=0.013

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