用可视化编程技术实现内燃机外特性曲线绘制 - 文章

用可视化编程技术实现内燃机外特性曲线绘制

作者：河北工程学院孙振军陈福恩姬鹏

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摘要：本文通过对汽车发动机外特性的理论分析，在处理汽车发动机外特性曲线时，建立了一种适合处理发动机外特性曲线的三次样条函数拟合的数学模型，在C++ Builder 可视化开发平台上，编制了汽车发动机外特性曲线绘制程序。利用三次样条函数插值法对实验数据进行拟合，实现了发动机外特性曲线绘制的自动化。从而为处理汽车发动机实验中的外特性曲线寻找了一种新的方法。
关键词：外特性曲线、C++ Builder、发动机、三次样条函数

0 引言

发动机的速度特性曲线是指发动机的供油量调节机构位置固定不动时，发动机的有效功率Ne，有效扭矩Me，小时耗油量GT和有效燃油消耗率Ge等随转速n的变化关系曲线。它们表示发动机所能达到的最高性能，确定了它所能达到的最大功率和最大扭矩值及相应的转速。这些数据是标定发动机性能的依据。

从理论上讲，发动机的设计工况应位于最高效率点上，即在最大功率和最大扭矩输出时，燃油消耗率最低、排放最佳。但实际上，由于汽车发动机工作过程的复杂性，使得设计工况点不一定和最佳工况重合。因此，在选择发动机时，一般把它的运行工况点控制在外特性曲线的高效区内，使汽车获得较好的经济性、动力性及排放性。所以了解发动机的外特性曲线对于其匹配选择和安全经济运行很重要。此外，利用发动机外特性曲线还可以分析发动机的工作情况，积累资料，找出规律，作为设计和修改新老产品及修理的依据，也可以作为相似设计的基础。

目前，已有通过计算的方法确定汽车发动机的外特性曲线的尝试，但由于影响汽车发动机的工作因素的复杂性，计算方法所确定的性能曲线与实际的有一定误差。因此主要还是通过实验确定，即通过实验采集数据，在手工绘制外特性曲线。这种通过实验绘制外特性曲线的方法工作量大。

随着电脑的普及和Windows操作系统的广泛应用，开发基于Windows操作系统的绘制外特性曲线的软件就成为用户的一种要求。微软是语言简单、功能强大的开发工具，用它可以编制出利用实验数据换算和绘制外特性曲线的程序，使换算和绘制外特性曲线变得简单、自动可行，减少了换算和绘制工作量，节省了人力、物力，提高了工作效率。

1.基本原理

1.1外特性分析

1.1.1扭矩随转速的变化关系

(1)

式中：Me------发动机有效扭矩，N*m
n--------发动机转速，rpm
Ne------发动机有效功率，kw
Hu------发动机所用燃油的热值，kj/kg
Gt------发动机每小时耗油量，kg/h
ηe------发动机有效热效率，

若发动机每循环供油量为△G千克，则每小时供油量Gt为

(2)

将式（2）代人式（1）得

(3)

式中燃油的热值Hu及行程系数τ均为常数，则：

因为ηe=ηi*ηm，所以

(4)

由于有效扭矩Me与循环供油量△G、指示效率ηi及机械效率ηm成正比，所以若知道△G、ηi及ηm随转速而变化的关系，即可知道Me随转速而变化的关系。

1.1.2循环供油量⊿G随转速变化的关系

当供油量调节机构的位置固定时，对于无油量校正器（如阀式校正器）的喷油泵而言，由于燃油流动的惯性作用及流经油孔处的节流作用随转速升高而增强，所以在柱塞顶面还未完全关闭进（回）油孔时，柱塞就开始往外供油，而当斜槽刚打开口油孔时，并不立即停止供油。转速越高，这种作用越明显，因而循环供油量也就越多。从喷油泵速度特性上来看，上述作用表现为循环供油量⊿G随转速的上升而略有增加，如图1所示。对于具有油量校正器的喷油泵，其循环供油量随转速上升而有所减少。

图1柱塞式喷油泵的速度特性
h1、h2、h3－油泵油量调节机构的固定位置

1.1.2.1 指示效率ηi随转速变化的关系

当转速提高时，不仅循环传热时间缩短，传热损失减小，发动机热状态增高，而且气流运动增强，喷油压力增高，喷雾质量改善，致使混合气形成及燃烧趋于完善，因此指示效率ηi随转速提高而略有增加。若转速过高时，则燃烧难以在上止点附近及时完成，后燃量就有所增加，因此指示效率ηi将有所下降。指示效率ηi随转速n的变化关系如图2所示。

图2 ⊿G、ηi、ηm、Me及ge随转速变化的关系（供油量调节机构的位置固定）

1.1.2.2 机械效率ηm随转速变化的关系

转速上升时，摩擦功、进排气泵吸功及传动附件所消耗的功均有所增加，因此机械效率下降，如图2所示。

综合了循环供油量⊿G、指示效率ηi及机械效率ηm随转速n变化的关系后可知，在相应于某一转速n0时，⊿G、ηi、ηm之乘积最大，则此转速时发动机的有效扭矩Me最大。在转速高于或低于n0时，有效扭矩Me均减小，但变化不大，可见，扭矩随转速变化的曲线是平坦的，如图2所示。

1.1.3 燃油消耗率ge随转速n变化的关系

因为ηe=ηi*ηm ，将此式代入式

则

(5)

式中：ge ------发动机燃油消耗率

从式（5）可知，燃油消耗率和ηi、ηm成反比。指示效率ηi及机械效率ηm综合影响的结果，使ge在某一中间转速时处于最低点，如图2所示。显然，若发动机常用转速处于低油耗区时，则省油。若常用转速处于高油耗区时，可根据ηi与n的变化关系作适当调节。

2 曲线绘制的实现

采用C++ Builder作为开发工具，主要是基于C++ Builder的优良性能。C++ Bullder6.0是Inprise公司的最新产品，它提供了一个面向对象、可视化设计的快速应用程序开发环境，就是所谓的RAD(Rapid Application Development)，这种RAD环境主要是让你能以撰写最少的程序代码来建立高执行效率的Windows应用程序(32位)。C++ Builder包含的所有RAD开发工具都是整合在IDE(1ntegrated Development Environment)内。可以利用这个整合环境来帮助完成整个应用程序的设计，而不需要再依靠其它的零碎的工具程序，让你的应用程序开发环境能够简单一致，提升整体的工程开发效率。

C++ Builder的IDE环境包含有一些要素，分别是程序编辑器(Code Editor)、程序检索器(code Explorer)、表格(Form)、元件模板(Component)、对象检视器(Object inspector)、鼠标右键菜单(Popup Menus)、对象浏览器(object Browser)、工程管理员口project Manager)、快速功能按钮(speed Bar)、除错器(Debugger)、在线帮助(On Line Help)说明等。在目前众多的Windows可视化应用程序开发语言中，C++ Builder是最优秀的开发语言之一，采用C++ Builder开发数据库应用程序具有其不可比拟的优势。
首先，C++ Builder本身是C++语言，这有利于C和C++语言新老用户开发数据库应用程序，因为他们不需要学习与语言不相关的高级语言。其次，C++ Builder提供了大量的可视化组件，特别是提供了许多数据库开发组件，这可以使用户能够在C++ Builder:环境下直接访问数据库和开发高水平的Windows应用程序。第三，C++语言形成的应用程序是编译式程序，这比采用解释型高级语言形成的应用程序运行速度更快、性能更稳定。第四，商业性应用软件大多数提供了与C语言的接口，这极大地丰富了使用C++ Builder开发的数据库软件的应用范围和功能。

C++ Builder还具有十分强大的数据库功能。除了支持Borland公司的数据库引擎BDE，Borland Database Engineer)，它还为数据库应用程序的开发提供了多种辅助工具，主要包括BDE Administrator， Database Deskstop，Explorer和SQL Monitor等。C++ Builder从Delphi开发工具继承可视化构件库，从Borland c++开发工具继承C++语言，它是快速应用程序开发模式和可重用构件的一个完美的结合，代表着未来C++语言的演化和发展方向。本文就采用C++ Builder语言作为曲线绘制程序的开发环境和开发工具。

2.1数据的存储

Access数据库对系统的要求较低，1个数据库可以包括多个数据库表，并且与C++ Builder无缝集成，因此在本程序中，利用了该数据库存储数据。新的实验数据在绘图前也已存于数据库中，这样易于管理数据。由于可以存在多个数据表，所以可以同时存储多个内燃机的实验数据，使用时只要选择相应的数据表即可。

2.2利用data控件访问数据库

Data控件是C++ Builder 6.0中自带的、功能强大的数据访问控件，它包含大量与数据库有关的操作代码。

2.2.1主要功能

（1）打开1个本地或远程数据库；
（2）访问1个指定的数据表；
（3）将数据字段的数值传给数据绑定控件，可以在这些控件中显示或修改数据属性。

2.2.2具体设置

（1）在窗体上添加1个data控件；
（2）打开data控件的属性；
（3）选择要操作的数据库名称；
（4）选择相应的数据表。

2.2.3利用数组获得绘图数据

对于已知数据，定义了3个一维数组，通过data控件，分别用来取数据库中已存在的数据，然后将该数据代入拟合公式；对于新的数据，则直接代入拟合公式。最后利用三次样条插值法拟合出函数，进行绘图。

2.4三次样条函数插值

对于给定数据(xi, yi)其中i=1,2,Λ,n，其拟和函数为

令

则

根据给定的数表及边界条件计算λi,μi,gi，从而可列出确定节点上导数值mi的方程组。

(7)

解方程组，得到在节点S'(x)上的值为S'(x)=mi(i=0,1..n) ，将所求出的mi代入三次样条插值公式得S(x)在各小区间[xi,xi+1]上的分段表达式，即得拟和函数S(x)。由S(x)函数就可绘制曲线。以此为原理，用VB编制拟和程序。

拟和曲线S(x)对数据(xi,yi)的拟和精度，可以用误差平方和σ来描述，其中

2.5软件可实现的功能

本文所设计的软件可实现如下功能

（1）利用实验数据可以快速绘制出汽车发动机的外特性曲线；
（2）可以将绘制的曲线保存，如果连有打印机，可将结果打印；
（3）可以与试验台连机，进行对发动机的在线检测，绘制外特性曲线；
（4）将本软件用于教学，可以方便、快捷地展示出外特性曲线。

3.实例

以一台汽车用柴油发动机为例，型号为YC4112ZLQ，运用所编制的软件绘制其外特性曲线。实验数据如表1所示，程序功能结构模块如图3所示，应用本软件绘制结果如图4、图5所示。

表1发动机外特性试验数据

图3程序功能结构模块

图4 内燃机外特性三次样条插值拟合曲线图图5 内燃机外特性回归曲线图

4.结束语

为实现汽车发动机外特性曲线绘制的自动化，选择合适的数学模型和计算方法，利用三次样条插值法对实验数据进行拟合，用C++ Builder语言可视化编程，拟合精度的大小主要靠区间的划分和节点的选择来控制，与折线法、回归法相比较。拟合精度高。并能够快速绘制曲线。由于C++ Builder语言的特点，使软件操作简单，易于修改，且有通用性。这样使绘制曲线变得容易，提高了工作效率。使理论绘制的外特性曲线与实际性能曲线一致。由此可见，对于汽车发动机外特性曲线的处理，利用可视化编程技术通过三次样条函数插值拟合是一种较为理想的方法。

参考文献
[1] 蒋德明，内燃机原理（修订本），北京，中国农业出版社，1993.6
[2] 徐涛，数值计算方法，长春，吉林科学技术出版社，1998.7
[3] 刘光，C++ Builder 程序设计导学，北京，清华大学出版社，2002
[4] 席卫文等，C++ Builder6.0程序设计与实例，北京，冶金工业出版社，2003.6
[5] 赵景波等，C++ Builder6.0基础教程，北京，机械工业出版社，2004.6

作者简介：
孙振军（1965-），男，黑龙江望奎人，硕士，副教授，河北工程学院机电学院车辆工程系主任，主要从事工程机械的研究。
通讯地址：河北省邯郸市中华南大街62号河北工程学院水电校区工程机械教研室
邮政编码：056021
联系电话：131113633190310-3123566
E-mail： 88sliz@163.com(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/6/2006)


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