发动机性能试验处理及方法

Te/(N·m)
50
40
30
20
10 1 000
2 000
3 000 4 000 n/(r/min)
5 000
图 5 发动机万有特性图
6 000
4 结论
文章介绍了发动机性能试验数据处理及方法，最
小二乘分段拟合和 3 次样条插值等方法对发动机试验
数据进行曲线与曲面的拟合，能提高数据处理的精度。
但是随着拟合条件增加，插值法和线性最小二乘法对
发动机经济工作模式或动力工作模式上的点，都
是汽车在一定工况下行驶时，发动机的稳态工作点。
因此，在仿真分析与实际控制中都要注意。
6 ooo 5 5oo 5 ooo 4 5oo 4 ooo 3 5oo 3 ooo 2 5oo 2 ooo l 5oo l ooo o
最佳经济性曲线 最佳动力性曲线
lo 2o 3o 4o 5o 6o 7o 8o 9o loo 节气门开度／（%）
5o
o
一5o 6 ooo
4 ooo 转速／（r／min） 2 ooo
4o
6o
8o
foo
o o 2o
节气门开度／（%）
图 1 发动机稳态输出转矩空间曲面图
1.2 传统汽车的能量消耗计算模型
由于传统汽车是单一动力源，其能量消耗反映到
第1期
Feature 燃油消耗，计算公式为：
技术聚焦 FOCUS
Auto Engineer
图 2 发动机转速调节特性曲线
在试验数据处理时，根据已知数据找出相应函数
得到比较高的拟合精度。
例如，节气门开度为 3% 的某发动机的调速特性
部分试验数据如下：
用 Matlab 程序计算 Ne 和 ge 的值，并绘制其关系 曲线 Te=f(n)，Pe=f(n)，Qt=f(n)，b=f(n)。
n=[1 000 1 100 1 200 1 300 1 400 1 500 1 600]
工业出版社，2004．
（收稿日期 ：2009-09-25）
（上接第14页）
间以比日韩相对低的速度来完成这个普及化进程，乘
销售量／万辆 增长率／％
用车内需增长率大致相当于GDP增长率的1.5倍。
多维数据进行曲面拟合有可能出现奇点。
利用 Matlab 提供的绘图命令，对发动机性能试
验数据进行处理、拟合与作图，则可方便迅速地绘出
所需的发动机各种性能曲线，大大提高工作效率。
参考文献
[1] 席新明．Matlab 在发动机性能试验数据处理中的应用 [J]．西北农
业学报，2002，11（3）：138-142．
set(get(AX(1),’Ylabel’),’String’,’Qt(kg/h)’) set(get(AX(2),’Ylabel’),’String’,’b(g/kW·h)’)
grid on
以上程序将输出 Pe，Qt，ge 的值，并得参数关 系曲线，如图 3 所示。从图 3 中可以看出各曲线在
n=1 400 r/min 附近出现拐点，拐点后近似于直线，由
图 3 描点法绘制的性能参数关系曲线
3 发动机万有特性的拟合与作图
为了更直观地了解发动机在各种工况下的燃油经
济性，以便对发动机进行评价和选用，常将不同转速
- 41 -
技术聚焦 Auto Engineer
FOCUS
下的若干负荷特性或不同节气门开度下的速度特性， 转化为万有特性。万有特性图属于三维绘图中的等值 线图，其流程，如图 4 所示；万有特性图，如图 5 所 示。发动机万有特性曲线的绘制是在前面的模型和运 算之后进行的，主要命令 [4] 如下：
Auto Engineer 2010(1)
FOCUS 技术聚焦
技术看点
发动机性能试验处理及方法
雷刚 （武汉理工大学汽车学院）
摘要：计算机仿真技术可以为发动机各种系统提供仿真环境，替代许多试验，可节约试验费用，加快开发速度。文 章利用 Matlab 强大的数据处理和绘图功能，在平均值模型和发动机数学模型的基础上，对发动机的性能试验数据 进行处理。结果表明，采用最小二乘分段拟合和 3 次样条插值的方法对发动机试验数据进行曲线拟合，能较好地 反映发动机实际工况，并可以用该方法绘制发动机转速调节特性曲线、外特性扭矩曲线及万有特性图。为研究发 动机性能及绘制发动机特性曲线提供了简单可行的方法。 关键词：稳态工况；万有特性曲线；三维绘图
set(get(AX(1),’Ylabel’),’String’,’Te(N·m)’) set(get(AX(2),’Ylabel’),’String’,’Pe(kW)’) grid on
subplot(2,2,2)
[AX,H3,H4]=plotyy(n,Qt,n,b,’plot’) xlabel(’n(r/min)’)
开度与发动机转速的关系为发动机最佳经济性转速调
节特性；如在每一个发动机节气门开度下，发动机都
能在输出最大功率的转速下工作，则发动机节气门开 度与发动机转速的关系为发动机最佳动力性转速调节
特性。这 2 条特性曲线对应变速器 2 种不同的工作模 式，即经济模式和动力模式。对二者折中为驱动模式，
其经济性和动力性介于前两者之间，在试验阶段再对 数据做修正 [2]。发动机转速调节特性曲线，如图 2 所示。
的系数，通过曲线拟合的方法得到指标参数之间的函
P
（1）
式中： Pe——发动机功率，kW； be（t）——发动机比油耗，g/（kW·h）。
发动机的比油耗值是与发动机工作点密切相关
的。发动机的比油耗和效率为倒数关系，即：
，其中
数关系。根据发动机性能试验所得数据，可得出发动 机有效性能指标随转速变化的规律——发动机调速特 性曲线，包括扭矩—转速（Te—n）曲线、功率—转速（Pe—n） 曲线、耗油量—转速（Qt—n）曲线、油耗率—转速（b—n） 曲线。这些特性曲线都可以用最小二乘法多项式拟合 方法进行曲线拟合。当试验数据有拐点或者不圆滑、 不规则，但又不便于圆整时，用分段拟合的方法，以
newi = min(new):100:max(new)； Tewi = interp1(new, Tew, newi, 'spline'); plot(newi,Tewi,'LineWidth',2); contour (nei,Tei,gei,25)； contour(nl,Tel,Pel,10,'--');
1 发动机数学模型
1.1 发动机输出转矩的数学模型 发动机的外特性曲线是节气门开度和发动机转
速的函数。在一定的节气门开度下，发动机输出转 矩曲线可用 3 次样条插值拟合达到满意的精度。因 此可用有限的试验数据建立发动机的数值模型。由 于条件所限，节气门开度和发动机转速的坐标向量 分 别 为：a=[0:10:100]，ne=[800:400:4 800]。 拟 合 时，[ai, nei]=meshgrid(0:5:100,800:100:4 800)， 即 节 - 40 -
气门开度 21 等分，发动机转速 41 等分。利用命令 Te=interp2（a, ne, Te, ai, nei, ‘spline’），将上述数据绘 制成的空间曲面图，表示发动机二维变量（a, ne）对应 的输出转矩，即为发动机在稳态工况下的输出转矩，如
图 1 所示。
2oo
f5o
转矩／（N·m）
foo
Te=[18.2 15.1 11.1 8.7 6.1 4.4 3.5] Pe=Te×n/9 549 Qt=[0.79 0.77 0.77 0.78 0.78 0.79 0.80] b=Qt/Pe×1 000 subplot(2,2,1)
[AX,H1,H2]=plotyy(n,Te,n,Pe, ‘plot’) xlabel('n(r/min)‘)
[2] 周云山，于秀敏．汽车电控系统理论与设计 [M]．北京 ：北京理工
大学出版社，1999，224-282．
[3] 陈军，师帅兵．发动机性能试验数据处理方法的研究 [J]．西北农
林科技大学学报 ：自然科学版，2001（4）：115-117．
[4] 阮沈勇，王永利，桑群芳．MATLAB 程序设计 [M]．北京 ：电子
开始
打开万有特性曲线图形
确定基准坐标点 及其工程单位 否 开始采集了吗？ 待命 是 开始采集图形
选择要采集的某 一条等油耗线
采集此等油耗 线上的各点
否 全部采集完了吗？ 是 是 查看
查看所采集的数据吗？ 数据 否
保存数据
绘图 图 4 万有特性曲线程序流程图
2010 年 1 月
技术看点
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80
70 60Hale Waihona Puke Baidu
综上，式（1）也可以表示成关于发动机效率的 函数，即：
P （2）
2 发动机转速调节特性曲线
发动机转速调节特性是指当需求特性的功率变化
时，独立地调节传动装置的传动比，使发动机输出
转速被稳定地维持在给定的工作点或者指定的工作模
式。如在每一个发动机节气门开度下，要求发动机都
保持在最低油耗的转速下工作，此时，发动机节气门
近些年为了提高发动机性能，降低开发成本，计 算机仿真技术在开发工作中得到了非常广泛的应用。 数据处理是发动机性能试验的一个重要内容，是测得 发动机各项指标进行动力性、经济性仿真分析的前提 和基础。试验数据处理的正确与否，决定了能否达到试 验目的和能否得出正确的结论。因此，发动机试验数据 的处理必须准确可靠 [1]。利用 Matlab 的强大功能，采用 最小二乘分段拟合的方法对发动机试验数据进行了曲线 拟合，并与实测数据进行对比分析以验证其正确性。
Engine Performance Test Processing and Method
Abstract: Computer simulation technique can provide simulation environments for all kinds of engine systems, substitute many tests, save test cost and quicken production development. Using Matlab powerful functions of data processing and drawing, based on the average model and engine mathematical model, the test data processing of engine performance is done. The result shows that adapting the method of least squares subsection and Cubic spline interpolation the engine test data is proceeded. And this can reflect the actual mode of engine. By using this method engine rotating speed regulation characteristic curve, external characteristics torque curve and cross sectional characteristic curve can be drawed. It provides simple and feasible method to research engine performance and engine characteristic curve drawing. Key words: Steady-state mode; Cross sectional characteristics curves; Three-dimensional drawing
此可采用分段多项式拟合。具体方法参见文献 [3]。
20
2
Pe l0
Te
0 l 000 l 200 l 400
n/(r/min)
l 0 l 600
0.82
l 400
0.8l
l 200
0.80 0.79
b
l 000 800
0.78
Qt 600
0.77
400
l 000 l 200 l 400 l 600 n/(r/min)
发动机转速／（r／min） Te/(N m) Pe/kW Qt/(kg/1) b/(g/(kW 1))
式中： flhv——燃油的燃烧低热值，J/g； be opt——发动机理论燃烧值（100% 效率值），
柴油机为 84 g/（kW·h），汽油机为 77 g/（kW·h）； ηe（t）——发动机工作效率。