基于MATLAB语言的发动机万有特性研究

来源：尔游网

吉林农业大学学报　2003,25(3):339～342

JournalofJilinAgriculturalUniversity

基于MATLAB语言的发动机万有特性研究关志伟1Ξ,杨　玲,施继红,吴　明

211

(1.吉林农业大学工程技术学院,吉林长春130118;2.吉林农业大学教育技术中心,吉林长

春130118)

摘　要:在建立了发动机万有特性曲面拟合数学模型的基础上,利用MATLAB语言的矩阵运算、三维曲线绘图、等值线法等方法,提出了一种计算并绘制发动机万有特性的新方法。运用该方法,绘制了某发动机万有特性的等油耗曲线,根据此曲线对某载货汽车等速行驶燃油经济性进行了模拟计算,并与试验结果进行对比。对比结果表明,该方法具有直观、简便、精度高、实用性强等优点。关键词:MATLAB;发动机;万有特性;三维曲面

中图分类号:TP312　　　文献标识码:A　　　文章编号:100025684(2003)0320339204

ResearchofEngineUniversalCharacteristicsBasedonMATLAB

GUANZhi2wei1,YANGLing2,SIJi2hong1,WUMing1

(11CollegeofEngineeringTechnology,JilinAgriculturalUniversity,Changchun,Jilin130118,China;

21CenterofEducationandTechnology,JilinAgriculturalUniversity,Changchun,Jilin130118,Chi2

na)

Abstract:Onthebasisofthemathmodelofengineuniversalcharateristiccurvesurface,bymeansofMATLAB′smatrixoperation,32Dgraphicsdrawing,andsoon,anewmethodtoprotractengineuniver2salcharacteristicswasputforward.Withthismethod,universalcharacteristicequaloilusingcurveofen2ginewasdrawn.Basedonthecurve,simulatedcalculationofoilusingeconomiccharacteristicsofacargocarryinglorrywasconducted.Theresultswereanalyzedincomparisonwiththetestresults1Themethodisofintuitiveness,simplicity,highprecision,andstrongpracticality1Keywords:MATLAB;engine;universalcharateristic;32DGraphics

　　对发动机的特性及其与汽车动力传动系匹配进行研究,不仅可以为正确地选用内燃机提供依据,还可以为整车动力性、经济性的模拟计算及优化整个动力装置性能提供分析依据[124]。而这都离不开发动机的万有特性,因此,对发动机的万有特性进行模拟及绘制发动机的万有特性曲线,具有十分重要的意义。发动机的工况具有面工况的

性质[1],而一般的速度特性和负荷特性只能描述

一条曲线的线工况,所以需要用多参数的曲面来拟合发动机的万有特性,以往采用Fortran语言、C语言通过最小二乘法、样条插值等算法来拟合发动机万有特性,编程、调试工作量较大,并且数据可视化程度较低[3,5]。

传统的发动机万有特性曲线的绘制方法主要

Ξ作者简介:关志伟(19702),男,在读博士,讲师,研究方向:车辆可靠性及行驶安全性。

收稿日期:2002211215

340　吉　林　农　业　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　2003年

是在几条不同转速的负荷特性(或速度特性)的基

础上,以转速做横坐标,以发动机转矩做纵坐标,在图上画出等油耗曲线和等功率曲线。用传统的做图法来绘制发动机的万有特性曲线工作量很大,并且由于人为因素,精度较低[2]。发动机万有特性曲线上的等油耗曲线和等功率曲线就是在不同的转速、负荷下油耗或功率相同点连成的一条曲线,它的实质是用二维的图形表述三维的信息,因此看起来并不直观。由于计算机技术的发展,直接用三维图形表述油耗、转速、负荷三者之间的联系,在计算机上可以显示出发动机特性的三维“地理特征”。MATLAB(MATrixLABoratory)原意为矩阵实验室,是集数值计算、符号运算及图形处理

Z1Z2

等强大功能于一体的科学计算语言。目前,MAT2

LAB已经拥有数十个工具箱[6],以供不同专业使用。本研究利用MATLAB语言强大的数据处理和三维曲线绘图功能,提出了一种新的绘制内燃机万有特性的方法,并用MATLAB语言编写了发动机万有特性和整车燃油经济性的模拟计算程序,现将研究结果报告如下。

1　发动机万有特性的数值算法计算方法是采用曲面拟合的方法。所谓曲面拟合是个拟线性回归问题,即认为平面上各观测点Z是其坐标(x,y)的函数,建立的回归模式为:

2SS-1S

1　x1　y1　x2y1…y11　x1y1　y1…x1　x1

a0e1

…Zn=

2SS-11　x2　y2　x2y2…yS2　x2y2　y2…x2　x22

　　　　　　　　　　　…

S-1S1　xn　yn　xx2n　xnyn　y2n…xSn　xnyn…yn×a1

…

ak-1+

…en(1)

　　式中:{a0,…,ak-1}—模型中待定系数;

{e1,…,en}—随机误差;n—多项式的最高幂次数;k—多项式的级数(k=(s+1)(s+2)/2)。

写成矩阵形式如下:

(2)Z=G・A+E其中G为N×k阶矩阵;Z和E均为N×1

阶向量;A是K阶向量(N为试验观测点数)。

利用最小二乘法原理,解出回归方程的系数向量,即可获得试验数据的回归方程。

223223n

Z=(1,x,y,x,xy,y,x,xy,xy,y,…,y

1000倍):A(0)=013500502930E+03;A(1)=017515905762E+02;A(2)=-011674715400E+01;A(3)

=014803004456E+02;A(4)

-011370707035E+01;A(5)=0199085347E-02;A(6)=

A(9)=

-011982227707E+02;A(7)=

012067523599E+00;A(8)=012653956879E-02;

-012140811375E-04;A(10)=

017074213505E+01;A(11)=-019602198750E-01;A(12)=013713596379E-03;A(13)=-013238753379E-05;A(14)=011685073059E-07。

2.1　发动机万有特性三维曲面表示方法

…

ak-1(3)

发动机万有特性曲线上的等油耗线所表述的是在三维坐标系转速—转矩—比油耗下的一系列等油耗线在转速—负荷平面上所做的投影,因此可以利用MATLAB语言强大的数据处理和三维曲线绘图功能,由计算机直接绘制出所需的三维曲面对其进行截取,从而得到所需的等油耗线。

发动机各个转速下的负荷特性拟合曲线见图1。使用MATLAB语言中的MESH语句,应用公式(3),生成发动机万有特性的三维曲面,见图2。

2　发动机万有特性曲线的绘制方法

本研究选用发动机为BF6M1013E型柴油发动机,实验数据来自文献[3]。根据上述计算方法,通过计算,以模型中参数S=4,A=15时拟合精度为最高,计算得到发动机的曲面拟合系数(为防止计算溢出,计算时将发动机转速降低

第25卷　第3期　　　　　　　　　　关志伟等:基于MATLAB语言的发动机万有特性研究341

图1　发动机负荷特性曲线图Fig111Burdencharacteristiccurveofengine

图2　发动机三维万有特性曲面

Fig12132Duniversalcharacteristicgraphicsofengine

2.2.2　等油耗曲线的生成有了发动机万有特性三维曲面,就可以用一系列平行于转速—转矩平面的平面截取发动机万有特性三维曲面,其一系列交线在转速—转矩平面内的投影即是等油耗曲线。等油耗曲线的数值取决与平面的位置。使用MATLAB中的CON2TOUR语句就可以使计算机自动生成等油耗曲线,如图3所示。

3　整车燃油经济性模拟计算及试验对比

利用上述发动机万有特性数学模型及基于MATLAB语言的算法,并参考汽车理论中汽车燃油经济性的计算方法,可对整车燃油经济性进行模拟计算。

已知某载货汽车整车有关参数:汽车总质量12245kg、汽车空气阻力系数01、迎风面积419m2、道路地面附着系数0178、最大爬坡度26%、最高车速120km/h。以等速行驶燃油消耗量为例,对该载货汽车燃油经济性进行模拟计算。

试验要求:按行驶规范,等速行驶时,加速踏板位置保持不变;加减速工况,车速偏差控制在±115km/h以内。

等速行驶燃油消耗量模拟计算与试验结果见表1。通过模拟计算结果与试验结果对比表明,在汽车分别以50,60,70,80,90,100km/h等速行驶,等速百公里燃油消耗量的模拟计算精度最高为1152%,最低为5153%,平均精度为3176%。可见利用本研究提出的发动机万有特性数学模型及基于MATLAB语言的算法,对整车燃油经济性进行模拟计算,在模拟精度上可以满足要求。

图3　发动机万有特性等油耗曲线

Fig131Universalcharacteristicequaloilusingcurveofen2

gine

表1　模拟计算与试验结果对比

Table11Comparisonbetweenresultsofsimulatedcalculationandthetestresults项目

Item

6012150121311152

速度υ/(km・h-1)

Velocity7014100131295107

8015100141175153

9017180171362147

100191701817177

QS/(L・100km-1)

试验值模拟值

11100101653118

模拟精度/%Precisionofstimulation

342　吉　林　农　业　大　学　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　2003年

4　小　结

本研究介绍的用于发动机万有特性研究的方

法,具有直观、物理意义明确、编程工作量小、模拟精度高、数据可视化程度高等优点。用本方法对发动机在各种工况下的性能分析、整车动力性、燃油经济性的模拟计算、发动机与动力传动系的合理匹配等具有一定的实用价值。

由于MATLAB语言偏重于数值运算,所以同VB、VC等语言相比,存在着程序界面简单、可移植性差等缺点。在这方面上,可在VB、VC++环境下利用Windows的丰富资源,方便生成各种菜单及美观大方的图形界面,再在VB、VC++环境下调用MATLAB来弥补MATLAB语言在这方面的

缺点。参考文献:

[1]　何　仁1汽车动力性燃料经济性模拟计算方法及应用[M]1

北京:机械工业出版社,1996:5247.

[2]　杨连生1内燃机性能及其与传动装置的优化匹配[M]1北

京:学术期刊出版社,1988:22178.[3]　关志伟1汽车发动机与传动系参数优化匹配的研究[D]:

[硕士学位论文],吉林农业大学,2000.

[4]　张京明1汽车动力性燃油经济性的综合评价[J]1汽车工

程,1996(1):21225.

[5]　王向东1万有特性曲线的计算机图形处理及其方法[J]1内

燃机工程,1987(2):59265.

[6]　王沫然1MATLAB610与科学计算[M]1北京:电子工业出版

社,2001:1662191.

(上接第334页)

3　讨　论

在制备猪肌生成抑制素C端88氨基酸肽抗体的过程中,由于MSTN目的蛋白分子量较低,在体内容易降解,因而其免疫原性较差,所以我们利用EDCI将其进行了直接偶联处理,期望提高它的免疫原性,得到猪肌生成抑制素偶联物,并将其和未偶联物分别免疫獭兔,结果表明只有偶联物产生了理想的抗体血清,说明这种偶联方式是有效可行的。另外,在进行SDS-PAGE鉴定时候,考虑到其分子量较小,我们还筛选了分离胶的浓度(12%～20%),并最终确定理想的分离胶浓度为18%。最后,我们用IPTG诱导,应用SDS-PAGE侧带法纯化包涵体蛋白,并用EDCI进行直接偶联,将偶联物免疫獭兔,获得滴度达1∶00的血清。参考文献:

[1]　McpherronAC,LawlerAM,LeeSJ1Regulationofskeletalmuscle

βsuperfamilymember[J]1Nature,massinmi2cebyanewTGF2

1997,387:8321

[2]　KambadurR,SharmaM,SmithTPL,BassJJ1Mutationsinmyo2

statin(GDF8)indouble2muscledBelgianBlueandPiedmontesecattle[J]1GenomeRes,1997,7:91029151

[3]　SharmaM,MridulaL,LangleyR,BassJJ1MyostatininMuscle

GrowthandRepair[J]1ExercSportSciRev,2001,29(4):15521581

[4]　KimHS,SmithsO1Recombinationframentassayforgenebasedon

thepolymerasechainreaction[J]1NuclAcidRes,1998,16:88872031

[5]　McpherronAC,LeeSJ1Growthfactorscytokines[J]1HealthDis,

1996,18:35723931

[6]　LiCY,SuardetL,LittleJB1Myostatininhibitscellproliferation

andproteinsynthesisinC2C12musclecells[J]1BiolChem,1995,270:4971249741

[7]　梁国栋1最新分子生物学实验技术[M]1北京:科学出版

社,2001:562591

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