車用柴油機高原環境適應性評價研究

董素榮　劉鵬宇　牟永輝　趙陽　劉瑞林

（軍事交通學院，天津300161）

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車用柴油機高原環境適應性評價研究

董素榮劉鵬宇牟永輝趙陽劉瑞林

（軍事交通學院，天津300161）

【摘要】基于車用柴油機高原性能模擬試驗和理論分析，構建車用柴油機高原環境適應性評價體系，應用層次分析法和模糊綜合評判法確定柴油機高原環境適應性評價指標權重，建立高原環境適應性綜合評價模型，并對高原地區典型車用柴油機高原適應性進行評估。結果表明，自然吸氣柴油機高原環境適應性等級為“較差”，增壓柴油機環境適應性等級為“一般”和“較好”。

1　前言

柴油機的高原環境適應性直接影響車輛在高原地區性能的發揮。高原地區大氣壓力和氣溫低，風沙塵大，日照及紫外線強，對柴油機性能有顯著影響。在高原地區，柴油機的動力性、經濟性、起動性、熱平衡、排放性能等指標都大幅度下降，導致以柴油機為動力的車輛不能處于良好的工作狀態，其可靠性、耐久性、作業效率嚴重下降，造成了嚴重的經濟損失和環境污染等問題［1］。

本文依據車用柴油機使用情況及高原環境模擬試驗數據，結合高原環境對柴油機性能影響的機理分析，構建車用柴油機高原環境適應性評價指標體系，應用層次分析法（AHP）和模糊評判法對典型車用柴油機高原環境適應性進行綜合評價。

2　試驗研究

高原環境模擬試驗是考核柴油機高原環境適應能力、發現耐高原環境設計缺陷、提出改進措施的重要手段［2］。

選取典型車輛匹配的柴油機（自然吸氣、機械供油渦輪增壓、電控高壓共軌渦輪增壓柴油機），在內燃機高原環境模擬試驗臺上進行高原性能模擬試驗，研究分析高原環境對柴油機動力性、起動性、熱平衡性、經濟性能等的影響，為柴油機高原環境適應性評價提供試驗依據。研究結果表明，柴油機的動力性、經濟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 %；當海拔達到5 000～5 500 m時，渦輪增壓柴油機的額定功率下降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，渦輪增壓柴油機的高原適應性明顯優于自然吸氣柴油機，采用電控高壓共軌燃油噴射技術可以進一步提高渦輪增壓型柴油機的高原環境適應性。

此外，隨著海拔的升高，柴油機扭矩特性發生變化，柴油機性能隨海拔的變化關系如表1所列。可知，在海拔2 000～3 000 m出現“拐點”，3 000 m以上性能下降幅度明顯高于2 000 m以下；2 000 m以下柴油機動力性和經濟性均呈現線性變化規律，海拔每升高1 000 m柴油機動力性下降1.1 %～5.9 %，經濟性下降0.8 %～3.9 %；2 000 m以上柴油機動力性和經濟性均呈現二次曲線變化規律，海拔每升高1 000 m柴油機動力性下降4.0 %～13.0 %，經濟性下降2.7 %～12.9 %。自然吸氣柴油機和機械供油渦輪增壓柴油機最大扭矩和最低燃油消耗率所對應轉速隨海拔升高逐漸向高速區偏移，均呈現二次曲線變化規律；電控共軌渦輪增壓柴油機最大扭矩和最低燃油消耗率對應轉速不隨海拔變化發生偏移［3～6］。

表1　柴油機性能隨海拔的變化關系　%

熱平衡是制約柴油機高原動力性、經濟性提升的重要約束條件之一。受高原地區低氣壓、低空氣密度的大氣條件和冷卻水低沸點降低的影響，柴油機在高原大負荷運行時易發生“開鍋”、“拉缸”等現象。隨著海拔的升高，柴油機轉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，轉化為有效功率熱量下降15.6 %，排氣帶走熱量下降20.6 %，余項熱量損失增大35.0 %［7、8］。

在高原地區，隨大氣壓力和溫度的降低，柴油機起動更加困難。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 %，過量空氣系數下降8 %，缸內混合氣著火溫度提高13 %，柴油機最低起動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℃以下的環境條件下不能順利起動［9］。

3　評價指標體系的建立

3.1評價原則

建立科學合理的評價指標體系是進行車用柴油機高原環境適應性評價的依據和核心。柴油機的性能參數較多，參數之間關系復雜，某些性能指標之間相互影響、相互制約，并且高原環境從多方面影響柴油機的綜合性能。為了系統、準確地評價柴油機的高原環境適應性，評價指標體系的建立應遵循以下原則：

a.應突出高原環境對柴油機的特殊使用要求，即突出柴油機動力性能、起動性能、熱平衡性能、經濟性能、可靠性能和耐久性能；

b.評價指標體系應體現代表性、可信性、實用性和獨立性原則。

3.2評價指標的選取

依據高原環境模擬試驗結果和高原環境對柴油機性能影響的機理分析，選取便于量化考核且對車用柴油機高原使用影響較大的性能及相應指標作為評價指標。

a.動力性能：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價指標；

b.起動性能：選取冷起動措施及效果（PTC進氣預熱、火焰進氣預熱、燃燒室電熱塞、冷卻液加溫鍋等），最低起動海拔和溫度及最低起動溫度下暖機時間為評價指標；

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價指標；

d.經濟性能：選取額定轉速油耗率每千米上升率和最低油耗率每千米上升率為評價指標；e.可靠性能：選取故障平均間隔時間為評價指標；f.耐久性能：選取平均首次大修時間為評價指標。

3.3評價指標體系的建立

根據高原環境對車用柴油機性能影響機理的研究，采用專家打分和AHP構建車用柴油機高原環境適應性評價指標體系，如圖1所示。

由圖1可以看出，柴油機高原環境適應性評價體系中包含6個一級指標，基本涵蓋高原環境對車用柴油機性能影響的主要方面；11個二級指標將影響6個一級指標的因素進行分解、細化和延伸，使指標體系的層次更清晰，具有一定的可操作性。

圖1　柴油機高原環境適應性評價指標體系

4　評價模型

4.1評價指標權重的確定

根據建立的柴油機高原環境適應性評價指標體系，采用專家評估和AHP確定各特征參數的權重。根據評分標準，針對各級評價指標U1，U2，…，Ui和U11，U12，…，Uij構造判斷矩陣R[10、11]。

式中，rij表示第i個指標相對于第j個指標的相對重要度，。

對判斷矩陣進行一致性檢驗:

式中，CI為偏差一致性指標；λmax為判斷矩陣R的最大特征根；CR為隨機一致性指標；RI為判斷一致性指標。

當CR＜0.1時，表明判斷矩陣R滿足車輛高原環境適應性評價要求，否則應對判斷矩陣作適當修正。采用乘積根法計算各級指標權重值，得到權重值向量W=(W1,W2…Wn)T，最后得到柴油機高原環境適應性評價權重。評價權重確定過程為根據建立的評價體系制成相對應AHP權重調查表，分發給從事車輛工程領域的30位專家進行打分，要求專家根據自己對評價指標的理解獨立打出比較分值。將收回的調查表進行統計，根據AHP原理進行分析計算，得到目標層對各一級指標之間判斷矩陣（表2），并計算得到每個判斷矩陣的單排序權值向量W、最大特征值λmax以及CR。

由表2數據經計算可知，λmax=6.566 867，CR= 0.091 430 1<0.1，滿足一致性要求。

各一級指標對二級指標因素之間判斷矩陣及計算結果如表3～表6所列。

表2　目標層對各一級指標之間判斷矩陣及計算結果

表3　因素U1對U11和U12的判斷矩陣及計算結果

表4　因素U2對U21、U22和U23的判斷矩陣及計算結果

表5　因素U3對U31和U32的判斷矩陣及計算結果

表6　因素U4對U41和U42的判斷矩陣及計算結果

由表3經計算可知，λmax=2，CR=0<0.1，滿足一致性要求。由表4經計算可知，λmax=3.1，CR=0.086 710 9<0.1，滿足一致性要求。由表5經計算可知，λmax=2，CR=0<0.1，滿足一致性要求。由表6經計算可知，λmax=2，CR=0<0.1，滿足一致性要求。

通過對上述結果進行逐層匯總加權計算，最終得到柴油機高原環境適應性評價權重如表7所列。

4.2模糊綜合評價

模糊綜合評價方法是模糊決策分析的基本方法，其特點是按多項模糊的準則參數對備選方案進行綜合評判，然后根據綜合評判結果對各備選方案進行比較排序，選出最佳方案[9]。具體步驟為：

a.確定評價因素集U={Ui}(i=1,2,…,n)

根據評價指標體系得到因素集U={U11,U12,U21,U22, …,U61}。

表7　車用柴油機高原環境適應性評價權重

b.確定評語集V={Vj}(j=1,2,…,m)

評語集是對評價對象可能做出的各種總的評價結果的組合，評價集的大小根據評價目標的實際情況及計算量的大小決定。車用柴油機高原環境適應性評價等級設定為“很好、較好、一般、較差、很差”5個等級，對應的量化權值為“0.9，0.7，0.5，0.3，0.1”，即

=（很好，較好，一般，較差，很差）。

c.確定各因素集的權重向量W=(W1,W2…Wn)T

該權重向量由前面的AHP得到。

d.確定各評價項目的模糊綜合評判矩陣R=(rij)

根據評價等級Vj確定每一個評價方案相對于評價指標的隸屬度，從而得到從因素集U到評語集V的模糊關系矩陣R。

e.計算評價結果B=W·R

每級結果計算完成后得出最后結果，并按最大隸屬度原則確定最優方案。

5　典型車用柴油機高原環境適應性評價

針對在高原地區使用的5種典型車用柴油機（1種自然吸氣柴油機（A型）、4種機械供油渦輪增壓柴油機（B、C、D、E型））使用情況進行評價調查，運用建立的柴油機高原環境適應性評價指標體系，并結合模糊綜合評價方法對調查數據進行處理，最終獲得高原環境適應性評價值，如表8所列。

按照最大隸屬度原則，5種車用柴油機的高原環境適應性由高到低排序為：C型>B型>E型>D型>A型。

根據模糊綜合評價得到的綜合評價值，可以直觀了解車用柴油機高原環境適應性的好壞，即綜合評價值越高則其高原環境適應性越好。如果對綜合評價值對照評語集進行反推，按落在“0.9，0.7，0.5，0.3，0.1”中所在區間所對應的評語值為“很好、較好、一般、較差、很差”而進行定性描述。例如，按評價結果排序，動力系統的評價值介于0.7（較好）與0.9（很好）之間，可以認為其高原環境適應性“較好”。評價結果表明，自然吸氣柴油機高原環境適應性等級為“較差”，機械供油渦輪增壓柴油機環境適應性等級為“較好”和“一般”。

表8　典型車用柴油機高原環境適應性評價值

6　結束語

a.高海拔模擬試驗結果表明，高原環境對柴油機動力性能、經濟性能、起動性能和熱平衡性能影響較大。依據模擬試驗結果和高原環境對柴油機性能影響的機理分析，采用AHP和模糊評估理論建立的柴油機高原環境適應性評價指標體系，涵蓋了高原環境對車用柴油機性能影響的主要方面。

b.運用建立的柴油機高原環境適應性評價指標體系，并結合模糊綜合評價方法對某高原地區典型車用柴油機高原環境適應性進行評價，評價結論與實際使用情況基本一致。

參考文獻

1劉瑞林.柴油機高原環境適應性研究.北京:北京理工大學出版社, 2013．

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8董素榮，許翔，任曉江，等.自然吸氣柴油機高海拔（低氣壓）熱平衡試驗研究.熱科學與技術，2011, 10（4）:366～ 370.

9董素榮，張恒超，靳尚杰，等.進氣預熱對車用柴油機低溫起動性能影響的研究.軍事交通學院學報，2009，11（6）：41～44．

10張志強，徐斌，何勇靈，等.基于AHP評價方法的發動機性能評價.兵工學報，2008，29（5）: 625～628．

11倪計民，單炯毅，葉淑英.輕型車動力總成綜合性能評價體系的構建.汽車技術，2006（3）：30～33．

（責任編輯晨曦）

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:U464.172

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）02-0038-04

主題詞:柴油機高原環境適應性層次分析法模糊綜合評價法