车用柴油机高原环境适应性评价研究

董素荣　刘鹏宇　牟永辉　赵阳　刘瑞林

（军事交通学院，天津300161）



车用柴油机高原环境适应性评价研究

董素荣刘鹏宇牟永辉赵阳刘瑞林

（军事交通学院，天津300161）

【摘要】基于车用柴油机高原性能模拟试验和理论分析，构建车用柴油机高原环境适应性评价体系，应用层次分析法和模糊综合评判法确定柴油机高原环境适应性评价指标权重，建立高原环境适应性综合评价模型，并对高原地区典型车用柴油机高原适应性进行评估。结果表明，自然吸气柴油机高原环境适应性等级为“较差”，增压柴油机环境适应性等级为“一般”和“较好”。

1　前言

柴油机的高原环境适应性直接影响车辆在高原地区性能的发挥。高原地区大气压力和气温低，风沙尘大，日照及紫外线强，对柴油机性能有显著影响。在高原地区，柴油机的动力性、经济性、起动性、热平衡、排放性能等指标都大幅度下降，导致以柴油机为动力的车辆不能处于良好的工作状态，其可靠性、耐久性、作业效率严重下降，造成了严重的经济损失和环境污染等问题［1］。

本文依据车用柴油机使用情况及高原环境模拟试验数据，结合高原环境对柴油机性能影响的机理分析，构建车用柴油机高原环境适应性评价指标体系，应用层次分析法（AHP）和模糊评判法对典型车用柴油机高原环境适应性进行综合评价。

2　试验研究

高原环境模拟试验是考核柴油机高原环境适应能力、发现耐高原环境设计缺陷、提出改进措施的重要手段［2］。

选取典型车辆匹配的柴油机（自然吸气、机械供油涡轮增压、电控高压共轨涡轮增压柴油机），在内燃机高原环境模拟试验台上进行高原性能模拟试验，研究分析高原环境对柴油机动力性、起动性、热平衡性、经济性能等的影响，为柴油机高原环境适应性评价提供试验依据。研究结果表明，柴油机的动力性、经济性随海拔高度的增加而下降，海拔每升高1 000 m，自然吸气柴油机的额定功率、最大扭矩下降约3 %～13 %，最低燃料消耗率增加2 %～12 %；当海拔达到5 000～5 500 m时，涡轮增压柴油机的额定功率下降3.6 %～14.1 %，最大扭矩下降2.0 %～26.8 %，油耗增加2.4 %～21.0 %。由此可见，涡轮增压柴油机的高原适应性明显优于自然吸气柴油机，采用电控高压共轨燃油喷射技术可以进一步提高涡轮增压型柴油机的高原环境适应性。

此外，随着海拔的升高，柴油机扭矩特性发生变化，柴油机性能随海拔的变化关系如表1所列。可知，在海拔2 000～3 000 m出现“拐点”，3 000 m以上性能下降幅度明显高于2 000 m以下；2 000 m以下柴油机动力性和经济性均呈现线性变化规律，海拔每升高1 000 m柴油机动力性下降1.1 %～5.9 %，经济性下降0.8 %～3.9 %；2 000 m以上柴油机动力性和经济性均呈现二次曲线变化规律，海拔每升高1 000 m柴油机动力性下降4.0 %～13.0 %，经济性下降2.7 %～12.9 %。自然吸气柴油机和机械供油涡轮增压柴油机最大扭矩和最低燃油消耗率所对应转速随海拔升高逐渐向高速区偏移，均呈现二次曲线变化规律；电控共轨涡轮增压柴油机最大扭矩和最低燃油消耗率对应转速不随海拔变化发生偏移［3～6］。

表1　柴油机性能随海拔的变化关系　%

热平衡是制约柴油机高原动力性、经济性提升的重要约束条件之一。受高原地区低气压、低空气密度的大气条件和冷却水低沸点降低的影响，柴油机在高原大负荷运行时易发生“开锅”、“拉缸”等现象。随着海拔的升高，柴油机转化的有效功率和排气带走的热量下降，不完全燃烧造成的热量损失、机体散失的热量以及其它热量损失不断增加。海拔5 000 m与平原相比，转化为有效功率热量下降15.6 %，排气带走热量下降20.6 %，余项热量损失增大35.0 %［7、8］。

在高原地区，随大气压力和温度的降低，柴油机起动更加困难。研究表明，大气压力每降低10 kPa，温度下降10℃，压缩终了压力和温度分别下降15 %和21 %，过量空气系数下降8 %，缸内混合气着火温度提高13 %，柴油机最低起动温度随海拔升高而升高。目前，大约75 %的柴油车辆在海拔3 000 m以上、-20℃以下的环境条件下不能顺利起动［9］。

3　评价指标体系的建立

3.1评价原则

建立科学合理的评价指标体系是进行车用柴油机高原环境适应性评价的依据和核心。柴油机的性能参数较多，参数之间关系复杂，某些性能指标之间相互影响、相互制约，并且高原环境从多方面影响柴油机的综合性能。为了系统、准确地评价柴油机的高原环境适应性，评价指标体系的建立应遵循以下原则：

a.应突出高原环境对柴油机的特殊使用要求，即突出柴油机动力性能、起动性能、热平衡性能、经济性能、可靠性能和耐久性能；

b.评价指标体系应体现代表性、可信性、实用性和独立性原则。

3.2评价指标的选取

依据高原环境模拟试验结果和高原环境对柴油机性能影响的机理分析，选取便于量化考核且对车用柴油机高原使用影响较大的性能及相应指标作为评价指标。

a.动力性能：选取额定功率每千米下降率和最大扭矩每千米下降率为评价指标；

b.起动性能：选取冷起动措施及效果（PTC进气预热、火焰进气预热、燃烧室电热塞、冷却液加温锅等），最低起动海拔和温度及最低起动温度下暖机时间为评价指标；

c.热平衡性能：选取额定工况冷却液温度（是否容易开锅）和额定工况排气温度为评价指标；

d.经济性能：选取额定转速油耗率每千米上升率和最低油耗率每千米上升率为评价指标；e.可靠性能：选取故障平均间隔时间为评价指标；f.耐久性能：选取平均首次大修时间为评价指标。

3.3评价指标体系的建立

根据高原环境对车用柴油机性能影响机理的研究，采用专家打分和AHP构建车用柴油机高原环境适应性评价指标体系，如图1所示。

由图1可以看出，柴油机高原环境适应性评价体系中包含6个一级指标，基本涵盖高原环境对车用柴油机性能影响的主要方面；11个二级指标将影响6个一级指标的因素进行分解、细化和延伸，使指标体系的层次更清晰，具有一定的可操作性。

图1　柴油机高原环境适应性评价指标体系

4　评价模型

4.1评价指标权重的确定

根据建立的柴油机高原环境适应性评价指标体系，采用专家评估和AHP确定各特征参数的权重。根据评分标准，针对各级评价指标U1，U2，…，Ui和U11，U12，…，Uij构造判断矩阵R[10、11]。

式中，rij表示第i个指标相对于第j个指标的相对重要度，。

对判断矩阵进行一致性检验:

式中，CI为偏差一致性指标；λmax为判断矩阵R的最大特征根；CR为随机一致性指标；RI为判断一致性指标。

当CR＜0.1时，表明判断矩阵R满足车辆高原环境适应性评价要求，否则应对判断矩阵作适当修正。采用乘积根法计算各级指标权重值，得到权重值向量W=(W1,W2…Wn)T，最后得到柴油机高原环境适应性评价权重。评价权重确定过程为根据建立的评价体系制成相对应AHP权重调查表，分发给从事车辆工程领域的30位专家进行打分，要求专家根据自己对评价指标的理解独立打出比较分值。将收回的调查表进行统计，根据AHP原理进行分析计算，得到目标层对各一级指标之间判断矩阵（表2），并计算得到每个判断矩阵的单排序权值向量W、最大特征值λmax以及CR。

由表2数据经计算可知，λmax=6.566 867，CR= 0.091 430 1<0.1，满足一致性要求。

各一级指标对二级指标因素之间判断矩阵及计算结果如表3～表6所列。

表2　目标层对各一级指标之间判断矩阵及计算结果

表3　因素U1对U11和U12的判断矩阵及计算结果

表4　因素U2对U21、U22和U23的判断矩阵及计算结果

表5　因素U3对U31和U32的判断矩阵及计算结果

表6　因素U4对U41和U42的判断矩阵及计算结果

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

通过对上述结果进行逐层汇总加权计算，最终得到柴油机高原环境适应性评价权重如表7所列。

4.2模糊综合评价

模糊综合评价方法是模糊决策分析的基本方法，其特点是按多项模糊的准则参数对备选方案进行综合评判，然后根据综合评判结果对各备选方案进行比较排序，选出最佳方案[9]。具体步骤为：

a.确定评价因素集U={Ui}(i=1,2,…,n)

根据评价指标体系得到因素集U={U11,U12,U21,U22, …,U61}。

表7　车用柴油机高原环境适应性评价权重

b.确定评语集V={Vj}(j=1,2,…,m)

评语集是对评价对象可能做出的各种总的评价结果的组合，评价集的大小根据评价目标的实际情况及计算量的大小决定。车用柴油机高原环境适应性评价等级设定为“很好、较好、一般、较差、很差”5个等级，对应的量化权值为“0.9，0.7，0.5，0.3，0.1”，即

=（很好，较好，一般，较差，很差）。

c.确定各因素集的权重向量W=(W1,W2…Wn)T

该权重向量由前面的AHP得到。

d.确定各评价项目的模糊综合评判矩阵R=(rij)

根据评价等级Vj确定每一个评价方案相对于评价指标的隶属度，从而得到从因素集U到评语集V的模糊关系矩阵R。

e.计算评价结果B=W·R

每级结果计算完成后得出最后结果，并按最大隶属度原则确定最优方案。

5　典型车用柴油机高原环境适应性评价

针对在高原地区使用的5种典型车用柴油机（1种自然吸气柴油机（A型）、4种机械供油涡轮增压柴油机（B、C、D、E型））使用情况进行评价调查，运用建立的柴油机高原环境适应性评价指标体系，并结合模糊综合评价方法对调查数据进行处理，最终获得高原环境适应性评价值，如表8所列。

按照最大隶属度原则，5种车用柴油机的高原环境适应性由高到低排序为：C型>B型>E型>D型>A型。

根据模糊综合评价得到的综合评价值，可以直观了解车用柴油机高原环境适应性的好坏，即综合评价值越高则其高原环境适应性越好。如果对综合评价值对照评语集进行反推，按落在“0.9，0.7，0.5，0.3，0.1”中所在区间所对应的评语值为“很好、较好、一般、较差、很差”而进行定性描述。例如，按评价结果排序，动力系统的评价值介于0.7（较好）与0.9（很好）之间，可以认为其高原环境适应性“较好”。评价结果表明，自然吸气柴油机高原环境适应性等级为“较差”，机械供油涡轮增压柴油机环境适应性等级为“较好”和“一般”。

表8　典型车用柴油机高原环境适应性评价值

6　结束语

a.高海拔模拟试验结果表明，高原环境对柴油机动力性能、经济性能、起动性能和热平衡性能影响较大。依据模拟试验结果和高原环境对柴油机性能影响的机理分析，采用AHP和模糊评估理论建立的柴油机高原环境适应性评价指标体系，涵盖了高原环境对车用柴油机性能影响的主要方面。

b.运用建立的柴油机高原环境适应性评价指标体系，并结合模糊综合评价方法对某高原地区典型车用柴油机高原环境适应性进行评价，评价结论与实际使用情况基本一致。

参考文献

1刘瑞林.柴油机高原环境适应性研究.北京:北京理工大学出版社, 2013．

2周广猛，刘瑞林，董素荣，等.高压共轨柴油机高海拔(低气压)燃烧特性.内燃机学报，2012，30（3）：220～226．

3张众杰，董素荣，周广猛，等. CA6DL电控柴油机不同海拔性能模拟试验.军事交通学院学报，2014，16（3）：48～ 51．

4郑智，许翔，索文莉，等.自然吸气柴油机高海拔性能模拟试验研究.军事交通学院学报，2010, 12（6）:42～46．

5李文祥，高巍，原志远，等. CA6110/125Z1A2增压柴油机对青藏高原适应性的研究.汽车技术，2001（7）:5～12．

6商海昆，张付军，李长江，等.涡轮增压柴油机高原供油策略调节方法研究.汽车技术，2015（9）:23～26．

7许翔，刘瑞林，刘刚，等.大气压力对柴油机冷却系统热平衡影响的研究.汽车工程，2012，34（7）:592～595.

8董素荣，许翔，任晓江，等.自然吸气柴油机高海拔（低气压）热平衡试验研究.热科学与技术，2011, 10（4）:366～ 370.

9董素荣，张恒超，靳尚杰，等.进气预热对车用柴油机低温起动性能影响的研究.军事交通学院学报，2009，11（6）：41～44．

10张志强，徐斌，何勇灵，等.基于AHP评价方法的发动机性能评价.兵工学报，2008，29（5）: 625～628．

11倪计民，单炯毅，叶淑英.轻型车动力总成综合性能评价体系的构建.汽车技术，2006（3）：30～33．

（责任编辑晨曦）

修改稿收到日期为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

中图分类号:U464.172

文献标识码:A

文章编号:1000-3703（2016）02-0038-04

主题词:柴油机高原环境适应性层次分析法模糊综合评价法