車用柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)研究

董素榮　劉鵬宇　牟永輝　趙陽(yáng)　劉瑞林

（軍事交通學(xué)院，天津300161）

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車用柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)研究

董素榮劉鵬宇牟永輝趙陽(yáng)劉瑞林

（軍事交通學(xué)院，天津300161）

【摘要】基于車用柴油機(jī)高原性能模擬試驗(yàn)和理論分析，構(gòu)建車用柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)體系，應(yīng)用層次分析法和模糊綜合評(píng)判法確定柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，建立高原環(huán)境適應(yīng)性綜合評(píng)價(jià)模型，并對(duì)高原地區(qū)典型車用柴油機(jī)高原適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，自然吸氣柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性等級(jí)為“較差”，增壓柴油機(jī)環(huán)境適應(yīng)性等級(jí)為“一般”和“較好”。

1　前言

柴油機(jī)的高原環(huán)境適應(yīng)性直接影響車輛在高原地區(qū)性能的發(fā)揮。高原地區(qū)大氣壓力和氣溫低，風(fēng)沙塵大，日照及紫外線強(qiáng)，對(duì)柴油機(jī)性能有顯著影響。在高原地區(qū)，柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、起動(dòng)性、熱平衡、排放性能等指標(biāo)都大幅度下降，導(dǎo)致以柴油機(jī)為動(dòng)力的車輛不能處于良好的工作狀態(tài)，其可靠性、耐久性、作業(yè)效率嚴(yán)重下降，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染等問題［1］。

本文依據(jù)車用柴油機(jī)使用情況及高原環(huán)境模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)性能影響的機(jī)理分析，構(gòu)建車用柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，應(yīng)用層次分析法（AHP）和模糊評(píng)判法對(duì)典型車用柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2　試驗(yàn)研究

高原環(huán)境模擬試驗(yàn)是考核柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)能力、發(fā)現(xiàn)耐高原環(huán)境設(shè)計(jì)缺陷、提出改進(jìn)措施的重要手段［2］。

選取典型車輛匹配的柴油機(jī)（自然吸氣、機(jī)械供油渦輪增壓、電控高壓共軌渦輪增壓柴油機(jī)），在內(nèi)燃機(jī)高原環(huán)境模擬試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行高原性能模擬試驗(yàn)，研究分析高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性、起動(dòng)性、熱平衡性、經(jīng)濟(jì)性能等的影響，為柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)提供試驗(yàn)依據(jù)。研究結(jié)果表明，柴油機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性隨海拔高度的增加而下降，海拔每升高1 000 m，自然吸氣柴油機(jī)的額定功率、最大扭矩下降約3 %～13 %，最低燃料消耗率增加2 %～12 %；當(dāng)海拔達(dá)到5 000～5 500 m時(shí)，渦輪增壓柴油機(jī)的額定功率下降3.6 %～14.1 %，最大扭矩下降2.0 %～26.8 %，油耗增加2.4 %～21.0 %。由此可見，渦輪增壓柴油機(jī)的高原適應(yīng)性明顯優(yōu)于自然吸氣柴油機(jī)，采用電控高壓共軌燃油噴射技術(shù)可以進(jìn)一步提高渦輪增壓型柴油機(jī)的高原環(huán)境適應(yīng)性。

此外，隨著海拔的升高，柴油機(jī)扭矩特性發(fā)生變化，柴油機(jī)性能隨海拔的變化關(guān)系如表1所列?？芍?，在海拔2 000～3 000 m出現(xiàn)“拐點(diǎn)”，3 000 m以上性能下降幅度明顯高于2 000 m以下；2 000 m以下柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性均呈現(xiàn)線性變化規(guī)律，海拔每升高1 000 m柴油機(jī)動(dòng)力性下降1.1 %～5.9 %，經(jīng)濟(jì)性下降0.8 %～3.9 %；2 000 m以上柴油機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性均呈現(xiàn)二次曲線變化規(guī)律，海拔每升高1 000 m柴油機(jī)動(dòng)力性下降4.0 %～13.0 %，經(jīng)濟(jì)性下降2.7 %～12.9 %。自然吸氣柴油機(jī)和機(jī)械供油渦輪增壓柴油機(jī)最大扭矩和最低燃油消耗率所對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速隨海拔升高逐漸向高速區(qū)偏移，均呈現(xiàn)二次曲線變化規(guī)律；電控共軌渦輪增壓柴油機(jī)最大扭矩和最低燃油消耗率對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速不隨海拔變化發(fā)生偏移［3～6］。

表1　柴油機(jī)性能隨海拔的變化關(guān)系　%

熱平衡是制約柴油機(jī)高原動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性提升的重要約束條件之一。受高原地區(qū)低氣壓、低空氣密度的大氣條件和冷卻水低沸點(diǎn)降低的影響，柴油機(jī)在高原大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)易發(fā)生“開鍋”、“拉缸”等現(xiàn)象。隨著海拔的升高，柴油機(jī)轉(zhuǎn)化的有效功率和排氣帶走的熱量下降，不完全燃燒造成的熱量損失、機(jī)體散失的熱量以及其它熱量損失不斷增加。海拔5 000 m與平原相比，轉(zhuǎn)化為有效功率熱量下降15.6 %，排氣帶走熱量下降20.6 %，余項(xiàng)熱量損失增大35.0 %［7、8］。

在高原地區(qū)，隨大氣壓力和溫度的降低，柴油機(jī)起動(dòng)更加困難。研究表明，大氣壓力每降低10 kPa，溫度下降10℃，壓縮終了壓力和溫度分別下降15 %和21 %，過(guò)量空氣系數(shù)下降8 %，缸內(nèi)混合氣著火溫度提高13 %，柴油機(jī)最低起動(dòng)溫度隨海拔升高而升高。目前，大約75 %的柴油車輛在海拔3 000 m以上、-20℃以下的環(huán)境條件下不能順利起動(dòng)［9］。

3　評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

3.1評(píng)價(jià)原則

建立科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系是進(jìn)行車用柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)的依據(jù)和核心。柴油機(jī)的性能參數(shù)較多，參數(shù)之間關(guān)系復(fù)雜，某些性能指標(biāo)之間相互影響、相互制約，并且高原環(huán)境從多方面影響柴油機(jī)的綜合性能。為了系統(tǒng)、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)柴油機(jī)的高原環(huán)境適應(yīng)性，評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立應(yīng)遵循以下原則：

a.應(yīng)突出高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)的特殊使用要求，即突出柴油機(jī)動(dòng)力性能、起動(dòng)性能、熱平衡性能、經(jīng)濟(jì)性能、可靠性能和耐久性能；

b.評(píng)價(jià)指標(biāo)體系應(yīng)體現(xiàn)代表性、可信性、實(shí)用性和獨(dú)立性原則。

3.2評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

依據(jù)高原環(huán)境模擬試驗(yàn)結(jié)果和高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)性能影響的機(jī)理分析，選取便于量化考核且對(duì)車用柴油機(jī)高原使用影響較大的性能及相應(yīng)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

a.動(dòng)力性能：選取額定功率每千米下降率和最大扭矩每千米下降率為評(píng)價(jià)指標(biāo)；

b.起動(dòng)性能：選取冷起動(dòng)措施及效果（PTC進(jìn)氣預(yù)熱、火焰進(jìn)氣預(yù)熱、燃燒室電熱塞、冷卻液加溫鍋等），最低起動(dòng)海拔和溫度及最低起動(dòng)溫度下暖機(jī)時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)；

c.熱平衡性能：選取額定工況冷卻液溫度（是否容易開鍋）和額定工況排氣溫度為評(píng)價(jià)指標(biāo)；

d.經(jīng)濟(jì)性能：選取額定轉(zhuǎn)速油耗率每千米上升率和最低油耗率每千米上升率為評(píng)價(jià)指標(biāo)；e.可靠性能：選取故障平均間隔時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)；f.耐久性能：選取平均首次大修時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.3評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

根據(jù)高原環(huán)境對(duì)車用柴油機(jī)性能影響機(jī)理的研究，采用專家打分和AHP構(gòu)建車用柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

由圖1可以看出，柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)體系中包含6個(gè)一級(jí)指標(biāo)，基本涵蓋高原環(huán)境對(duì)車用柴油機(jī)性能影響的主要方面；11個(gè)二級(jí)指標(biāo)將影響6個(gè)一級(jí)指標(biāo)的因素進(jìn)行分解、細(xì)化和延伸，使指標(biāo)體系的層次更清晰，具有一定的可操作性。

圖1　柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

4　評(píng)價(jià)模型

4.1評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

根據(jù)建立的柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用專家評(píng)估和AHP確定各特征參數(shù)的權(quán)重。根據(jù)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)U1，U2，…，Ui和U11，U12，…，Uij構(gòu)造判斷矩陣R[10、11]。

式中，rij表示第i個(gè)指標(biāo)相對(duì)于第j個(gè)指標(biāo)的相對(duì)重要度，。

對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn):

式中，CI為偏差一致性指標(biāo)；λmax為判斷矩陣R的最大特征根；CR為隨機(jī)一致性指標(biāo)；RI為判斷一致性指標(biāo)。

當(dāng)CR＜0.1時(shí)，表明判斷矩陣R滿足車輛高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)要求，否則應(yīng)對(duì)判斷矩陣作適當(dāng)修正。采用乘積根法計(jì)算各級(jí)指標(biāo)權(quán)重值，得到權(quán)重值向量W=(W1,W2…Wn)T，最后得到柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)權(quán)重。評(píng)價(jià)權(quán)重確定過(guò)程為根據(jù)建立的評(píng)價(jià)體系制成相對(duì)應(yīng)AHP權(quán)重調(diào)查表，分發(fā)給從事車輛工程領(lǐng)域的30位專家進(jìn)行打分，要求專家根據(jù)自己對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的理解獨(dú)立打出比較分值。將收回的調(diào)查表進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，根據(jù)AHP原理進(jìn)行分析計(jì)算，得到目標(biāo)層對(duì)各一級(jí)指標(biāo)之間判斷矩陣（表2），并計(jì)算得到每個(gè)判斷矩陣的單排序權(quán)值向量W、最大特征值λmax以及CR。

由表2數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算可知，λmax=6.566 867，CR= 0.091 430 1<0.1，滿足一致性要求。

各一級(jí)指標(biāo)對(duì)二級(jí)指標(biāo)因素之間判斷矩陣及計(jì)算結(jié)果如表3～表6所列。

表2　目標(biāo)層對(duì)各一級(jí)指標(biāo)之間判斷矩陣及計(jì)算結(jié)果

表3　因素U1對(duì)U11和U12的判斷矩陣及計(jì)算結(jié)果

表4　因素U2對(duì)U21、U22和U23的判斷矩陣及計(jì)算結(jié)果

表5　因素U3對(duì)U31和U32的判斷矩陣及計(jì)算結(jié)果

表6　因素U4對(duì)U41和U42的判斷矩陣及計(jì)算結(jié)果

由表3經(jīng)計(jì)算可知，λmax=2，CR=0<0.1，滿足一致性要求。由表4經(jīng)計(jì)算可知，λmax=3.1，CR=0.086 710 9<0.1，滿足一致性要求。由表5經(jīng)計(jì)算可知，λmax=2，CR=0<0.1，滿足一致性要求。由表6經(jīng)計(jì)算可知，λmax=2，CR=0<0.1，滿足一致性要求。

通過(guò)對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行逐層匯總加權(quán)計(jì)算，最終得到柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)權(quán)重如表7所列。

4.2模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)方法是模糊決策分析的基本方法，其特點(diǎn)是按多項(xiàng)模糊的準(zhǔn)則參數(shù)對(duì)備選方案進(jìn)行綜合評(píng)判，然后根據(jù)綜合評(píng)判結(jié)果對(duì)各備選方案進(jìn)行比較排序，選出最佳方案[9]。具體步驟為：

a.確定評(píng)價(jià)因素集U={Ui}(i=1,2,…,n)

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系得到因素集U={U11,U12,U21,U22, …,U61}。

表7　車用柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)權(quán)重

b.確定評(píng)語(yǔ)集V={Vj}(j=1,2,…,m)

評(píng)語(yǔ)集是對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象可能做出的各種總的評(píng)價(jià)結(jié)果的組合，評(píng)價(jià)集的大小根據(jù)評(píng)價(jià)目標(biāo)的實(shí)際情況及計(jì)算量的大小決定。車用柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)等級(jí)設(shè)定為“很好、較好、一般、較差、很差”5個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的量化權(quán)值為“0.9，0.7，0.5，0.3，0.1”，即

=（很好，較好，一般，較差，很差）。

c.確定各因素集的權(quán)重向量W=(W1,W2…Wn)T

該權(quán)重向量由前面的AHP得到。

d.確定各評(píng)價(jià)項(xiàng)目的模糊綜合評(píng)判矩陣R=(rij)

根據(jù)評(píng)價(jià)等級(jí)Vj確定每一個(gè)評(píng)價(jià)方案相對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度，從而得到從因素集U到評(píng)語(yǔ)集V的模糊關(guān)系矩陣R。

e.計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果B=W·R

每級(jí)結(jié)果計(jì)算完成后得出最后結(jié)果，并按最大隸屬度原則確定最優(yōu)方案。

5　典型車用柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)

針對(duì)在高原地區(qū)使用的5種典型車用柴油機(jī)（1種自然吸氣柴油機(jī)（A型）、4種機(jī)械供油渦輪增壓柴油機(jī)（B、C、D、E型））使用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)調(diào)查，運(yùn)用建立的柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終獲得高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)值，如表8所列。

按照最大隸屬度原則，5種車用柴油機(jī)的高原環(huán)境適應(yīng)性由高到低排序?yàn)椋篊型>B型>E型>D型>A型。

根據(jù)模糊綜合評(píng)價(jià)得到的綜合評(píng)價(jià)值，可以直觀了解車用柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性的好壞，即綜合評(píng)價(jià)值越高則其高原環(huán)境適應(yīng)性越好。如果對(duì)綜合評(píng)價(jià)值對(duì)照評(píng)語(yǔ)集進(jìn)行反推，按落在“0.9，0.7，0.5，0.3，0.1”中所在區(qū)間所對(duì)應(yīng)的評(píng)語(yǔ)值為“很好、較好、一般、較差、很差”而進(jìn)行定性描述。例如，按評(píng)價(jià)結(jié)果排序，動(dòng)力系統(tǒng)的評(píng)價(jià)值介于0.7（較好）與0.9（很好）之間，可以認(rèn)為其高原環(huán)境適應(yīng)性“較好”。評(píng)價(jià)結(jié)果表明，自然吸氣柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性等級(jí)為“較差”，機(jī)械供油渦輪增壓柴油機(jī)環(huán)境適應(yīng)性等級(jí)為“較好”和“一般”。

表8　典型車用柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)值

6　結(jié)束語(yǔ)

a.高海拔模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能、起動(dòng)性能和熱平衡性能影響較大。依據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果和高原環(huán)境對(duì)柴油機(jī)性能影響的機(jī)理分析，采用AHP和模糊評(píng)估理論建立的柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，涵蓋了高原環(huán)境對(duì)車用柴油機(jī)性能影響的主要方面。

b.運(yùn)用建立的柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并結(jié)合模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)某高原地區(qū)典型車用柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)論與實(shí)際使用情況基本一致。

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（責(zé)任編輯晨曦）

修改稿收到日期為2015年10月1日。

Research on Evaluation of Plateau Environmental Adaptability of Automobile Diesel Engine

Dong Surong, Liu Pengyu, Mou Yonghui, Zhao Yang, Liu Ruilin
（Military Transportation University, Tianjin 300161）

【Abstract】The evaluation system of plateau environmental adaptability for automobile diesel engine is set up based on the plateau simulative test and theoretical analysis. An evaluation weight coefficient is determined using hierarchical analysis and fuzzy evaluation theory, and a comprehensive evaluation model for the plateau environmental adaptability is established, which is used to evaluate plateau environmental adaptability of typical automobile diesel engine. The results indicate that plateau environmental adaptability of naturally aspirated engine is ranked“poor”, whereas tubocharged diesel engine is ranked“better”or“acceptable”.

Key words:Diesel engine, Plateau environmental adaptability, Analytic hierarchy process, Fuzzy comprehensive evaluation

中圖分類號(hào):U464.172

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-3703（2016）02-0038-04

主題詞:柴油機(jī)高原環(huán)境適應(yīng)性層次分析法模糊綜合評(píng)價(jià)法