基于層次分析法的汽車燃油經濟性分析

劉 磊，汪 濤， 周 振，胡汝翼

（1. 后勤工程學院 軍事油料應用與管理工程系，重慶 4013110； 2. 后勤工程學院 國家救災應急裝備工程技術研究中心，重慶 4013110）

基于層次分析法的汽車燃油經濟性分析

劉 磊1，汪 濤1， 周 振2，胡汝翼1

（1. 后勤工程學院 軍事油料應用與管理工程系，重慶 4013110； 2. 后勤工程學院 國家救災應急裝備工程技術研究中心，重慶 4013110）

汽車是人們出行必不可少的一部分，如何提高燃油經濟性并加以利用，一直是人們關注的重點。從汽車結構和使用兩方面對燃油經濟性影響因素進行定性分析，運用層次分析法進行量化研究，得出發動機結構、整備質量和外形是影響因素中較大的結構因素，而駕駛員操作和工作強度在使用因素中占有較大權重。依據各影響因素的權重值，有針對性地提出了提高燃油經濟性的措施。

層次分析法；燃油經濟性；影響因素；措施

自 2000 年以來，中國的汽車工業進入高速發展期。2014年底中國汽車保有量達1.54億輛，私家車突破1億輛，極大地改變了人們的出行，同年我國石油消耗量為5.19億t，進口3.08億t，進口依賴度高達59%。汽車的高速增長在方便出行的同時，也導致燃油消耗總量的激增，造成嚴重的環境污染。如何以較少的燃油消耗提供足夠的動力需求，歸根到底是由燃油經濟性決定的。燃油經濟性的影響因素較多，分析各影響因素作用原理和大小，有針對性、預見性地采取措施，對提高汽車燃油經濟性、降低燃油消耗量和減輕環境污染具有現實意義。

1 汽車燃油經濟性相關理論

1.1 汽車燃油經濟性的評價指標

汽車燃油經濟性是指在保證動力性的前提下，汽車以盡量少的燃油消耗量經濟行駛的能力。在我國燃油經濟性的評價指標是百公里燃油消耗量（L/100 km）和百噸公里（千人公里）燃油消耗量（L/（100 t·km）或L/（1 000 p·km）。

1.2 汽車燃油消耗方程式［1］

式中: Q — 燃油消耗量；

ge— 燃油消耗率；

ηt— 機械傳遞效率；

γ — 燃油密度；

G — 汽車總重量；

f — 滾動阻力；

i — 坡道阻力（ψ=f+i為道路阻力系數）；

CD— 空氣阻力系數；

A — 汽車迎風面積；

va— 汽車速度；

δ — 旋轉質量換算系數。

燃油消耗方程較好地反映了燃油消耗量與汽車結構參數、使用狀況等因素之間的關系，為分析燃油消耗影響因素指明了方向。燃油消耗率主要由發動機特性決定，隨著發動機負荷、轉速增大先降低后增加，約在80%～90%負荷、50%～70%轉速時最低［2］；動力傳動效率和行駛阻力受汽車結構和使用狀況的影響，汽車總質量G、道路阻力系數ψ、空氣阻力系數CD，迎風面積A，速度va，加速度dv/dt越大，機械傳遞效率ηt越小，傳遞效率和行駛阻力越大，燃油經濟性越差。本文將“駕駛員-汽車-環境”作為一個系統整體，從汽車結構和使用兩方面較為全面地分析汽車燃油經濟性。

2 汽車燃油經濟性影響因素分析

2.1 結構因素

汽車結構包括發動機、底盤、整備質量和外形、電氣設備等，其結構類型對汽車燃油經濟性影響程度各異。

2.1.1 發動機結構

發動機是汽車的心臟，其結構極大程度地影響著燃油消耗率，凡是對發動機的燃燒過程和熱效率有影響的因素，都影響著汽車的燃油經濟性［3］。柴油機熱效率高、熱損失少，而電噴式噴油泵可以實現混合氣濃度、噴油時刻的精準控制，汽油機熱效率相對較低，由于工作平穩、噪音小，主要用于轎車；與工況任務相適應的發動機功率，能夠保證發動機較長時間工作在最佳功率范圍，大大降低了燃油消耗率；合理的燃燒室壓縮比能夠保證較高的燃燒溫度和壓力，有利于混合氣充分燃燒，同時避免了壓縮比過大造成發動機爆燃、工作粗暴的傾向或壓縮比過小混合不均勻、燃燒不充分的問題；廢氣渦輪增壓器能夠較好地利用發動機排除的廢氣來預熱進氣和驅動壓縮機工作，降低熱損失、提高進氣壓力和溫度、促進混合氣的燃燒；增多進排氣門數目、降低進排氣門和氣道的阻力，能夠提高充氣效率和空燃比，保證燃燒充分。

2.1.2 底盤結構

底盤是汽車動力傳遞的媒介和載體。其設計的合理性，直接影響著發動機輸出功率傳遞效率和克服行駛阻力所做的功，進而影響燃油經濟性［3］。較多的變速器檔位，能夠增大發動機以經濟負荷行駛的概率，降低燃油消耗率。但檔位太多，變速器結構復雜，增加駕駛員操作的難度；胎面花紋影響著抓地面積，類型影響輪胎彈性變形和內部摩擦，二者都影響輪胎與地面的滾動阻力；分動器能按需分配各軸驅動力，解決路況較差條件下行駛阻力大的問題。

2.1.3 整備質量和外形

汽車行駛中的滾動阻力、坡道阻力和加速阻力與汽車總質量成正比，整備質量越大，行駛阻力越大，就需要克服更多的外界阻力做功，進而增加燃油消耗量；汽車外形是影響空氣阻力的主要因素，流線型的外形設計，能有效降低空氣阻力系數［4］，尤其在中高速行駛時，提高燃油經濟性效果顯著［5］。

2.1.4 電氣設備

電氣設備中影響燃油經濟性的因素主要是空調，發動機燃油部分熱能用于發電機發電，供給電氣設備的正常使用，從而降低發動機的有效功率輸出。特別是在夏天空調全開時，電氣設備會很大程度的增加燃油消耗量，降低燃油經濟性［6］。

2.2 使用因素

2.2.1 汽車的技術狀況

（1）發動機技術狀況

在發動機結構定型的前提下，良好的技術狀況是降低燃油損失、提高熱效率的技術基礎。發動機技術狀況對燃油經濟性影響較大的因素主要包括汽缸壓力、配氣相位、噴油（點火）提前角等，通過改變進排氣量、噴油時機和數量，工質混合均勻度、燃燒完全情況來影響燃油消耗率。

（2）底盤技術狀況

底盤技術狀況直接影響著傳動效率和行駛阻力，其因素主要包括離合器、變速器、分動器、傳動軸、差速器，輪胎，制動轂、摩擦片等部件技術狀況。任何部件工作不正常或功效降低，如零部件發熱、發響、變形、丟失，自由行程、游動間隙增大，輪胎氣壓降低等，都會導致燃傳遞效率降低，行駛阻力增大，燃油經濟性變差。

2.2.2 駕駛員操作

駕駛員是汽車的操作主體，在駕駛汽車從啟動到熄火的過程中，能否正確、及時、熟練地操作，是駕駛水平的重要體現，更是影響燃油經濟性的操作因素所在。

冷啟動時，潤滑條件差、運動機件磨損加劇，發動機啟動困難，對汽車進行預熱能減少多次啟動造成的燃油損失；起步要正確控制油門、離合器，避免汽車熄火或怠速過久造成的燃油浪費；起步后，盡快換入高速檔，避免低檔高速“猛沖”或高檔低速“硬撐”而導致的發動機工作不穩定，混合氣燃燒不充分、燃油浪費嚴重，合理的檔位選擇有利于經濟時速的發揮，快速更換檔位能夠減少換擋過程中的空轉油耗［7］；充分利用加速滑行提高發動機負荷率、減速滑行降低摩擦損失，坡道滑行行駛慣性利用高的優勢來提高燃油經濟性［8］；減少踩踏油門和制動的次數，保持經濟車速的穩定性，避免亂加油、油門不穩，制動過頻、過早、過重等不良操作所造成的燃油損失；熄火前怠速運轉幾分鐘，待發動機溫度降低后再熄火，以避免粘缸、開裂等機件磨損造成燃油經濟性變差的可能性。

2.2.3 行駛環境

道路的地形、路況、通行能力影響汽車行駛阻力、經濟速度和駕駛員技術水平的發揮，較差的道路條件還導致技術狀況變差；溫度影響汽車燃油、附油的性能，導致車輛技術狀況和性能穩定性變差；海拔影響著發動機的性能發揮，同時因海拔升高溫度會逐漸降低；雨雪風等天氣影響汽車行駛阻力，限制車輛行駛速度和載荷大小。

2.2.4 工作強度

工作強度包括速度和載荷、拖掛，從不同側面不同程度地影響汽車的燃油消耗率和行駛阻力，對燃油經濟性影響很大。

當發動機功率一定時，經濟速度能夠促使可燃混合氣燃燒充分，熱損失減少，發動機運轉穩定，有效避免了速度低，燃油消耗率大，速度高，空氣阻力飆升的“兩頭高”問題；合適的載荷和拖掛有利于提高發動機負荷率，降低燃油消耗率，并提高質量利用系數，降低百噸燃油消耗量［9］。

3 汽車燃油經濟性影響因素評價

3.1 評價的原則

評價是對事物的解讀，力求客觀準確反映事物之間的作用機理和緊密程度。汽車燃油經濟性影響因素評價指標體系，應較好地反映各影響因素與燃油經濟性之間的直接或間接關系、緊密與疏遠的聯系。故應遵循以下原則：

4.根據串聯、并聯電路電流的特點，判斷流過各分電阻的電流變化。根據串、并聯電路的特點，即：串聯電路中，電流處處相等；在并聯電路中，總電流等于各分電流之和。以此為依據來判斷流過各分電阻的電流變化。

（1）因果關系原則：指標反映的評價對象與汽車燃油經濟性互為因果關系；

（2）可檢驗性原則：評價結果應經得起定性分析與定量檢驗，符合燃油消耗規律；

（3）求同存異原則：評價體系一旦確定，各因素的作用權重就相對固定，但汽車燃油經濟性影響因素復雜，各行說法不一，但總體一致。

基于上述原則，確定的汽車燃油經濟性影響因素評價指標如圖1。

圖1 汽車燃油經濟性評價指標Fig.1 Evaluation Index of Fuel Economy

表1 9分位比例法Table 1 9 split ratio method

3.2.1 確定判斷矩陣

根據Saaty推薦的9分位比例法，如表1，確定判斷矩陣。

（1）汽車結構因素分析

第一層級

?

3.2 各要素權重的確立及分析

本文主要采用主觀賦權法，通過專家打分對汽車燃油經濟性進行綜合判斷。

第二層級

發動機結構

底盤結構

整備質量與外形

（2）汽車使用因素分析

第一層級

發動機技術狀況

第二層級

技術狀況

駕駛員操作

環境

工作強度

3.2.2 求解權重

運用Matlab編程，得各矩陣的最大特征值和對應的歸一化特征向量，表2所示。

表2 矩陣的最大特征值和對應的歸一化特征向量Table 2 Maximum characteristic value of matrix and normalization feature vector

3.2.3 一致性檢驗

按如下步驟計算，結果匯總于表4：

①一致性指標CI

式中：λmax— 最大特征值；

n — 判斷矩陣的階數。

②一致性比例CR

式中：RI — 平均隨機一致性指標，按表2查取。

當CR＜0.1時，認為判斷矩陣的一致性可以接受（表3）。

表3 平均隨機一致性指標Table 3 Average randomness consistency metrics

表4 一致性檢驗結果Table 4 Check result of consistency

所有矩陣的CR皆小于0.1，一致性可以接受，所以表2所對應的歸一化特征矩陣即為同一層各因素對于上一層某因素相對重要性的排序權重。

由表2可知，在汽車結構因素中，發動機結構、整備質量和外形是汽車結構中對燃油經濟性影響較大的因素，而發動機類型、變速器檔位、汽車整備質量分別是發動機、底盤、整備質量和外形中影響相對較大的因素；在汽車使用因素中，駕駛員操作和工作強度對燃油經濟性影響較大，而發動機技術狀況、檔位、道路、速度分別是汽車技術狀況、駕駛員操作、環境和工作強度中影響相對較大的因素。

4 提高汽車燃油經濟性的措施

結構因素是影響汽車燃油經濟性的內因，很大程度影響著燃油經濟性的優劣，為有目的性、有針對性地設計、購買汽車提供了導向；使用因素是影響燃油經濟性的外因，影響著汽車燃油經濟性的發揮，為維護保養、技術操作、安排出行提供了參考。雖然汽車的結構對燃油經濟性影響程度很大，但一旦汽車定型、購買后，結構影響因素基本無法改變，那么我們只能對使用因素發揮主觀能動性，故應從以下幾方面提高燃油經濟性。

4.1 加強維護保養

汽車的維護保養主要是清潔、緊定、潤滑、調整、補充、檢修。采用望聞問切的方式，做好出車前檢查，行車中關注和出車后保養。定期檢查輪胎氣壓、車輪定位、“三濾”，重點檢修發動機、傳動系、制動系，對發現的問題及時排除，確保車容整潔、車況良好。

4.2 提高駕駛技術

“活到老，學到老”。駕駛員應細心觀察同行操作“秘訣”、虛心傾聽老師傅處理情況“要領”。重點注重啟動、起步、滑行、油門、檔位和速度的把控。做到預熱升溫、平穩起步、輕踩油門、迅速換擋、合理滑行、怠速熄火，盡量利用直接檔經濟速度平穩行駛，減少怠速、加油、制動等的時間和次數。結合駕駛操作，不斷練習、勤加總結、善于運用，在實踐中熟練掌握降低燃油消耗的操作方法。

4.3 選擇出行時機和路線

在出車不是很緊急的情況下，減少空車、單人、風雨、嚴寒酷熱天氣出行次數、壓縮行駛時間，避開山區搓板路、鄉鎮泥濘路、城市上下班高峰期和重要節假日高速路堵車的情況。如果條件允許，盡量合并任務，選擇道路平坦、天氣良好時機出車。

［1］閆大建.汽車發動機原理與汽車理論 ［M］.北京：國防工業出版社，2008-03.

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［4］王登峰，鄧陽慶，劉延林，趙北.汽車使用諸因素對燃油經濟性的影響分析與試驗研究［J］.公路交通科技，2008，8（8）150-153.

［5］李向才.駕駛與維護對燃油經濟性的影響［J］.汽車維修，2014（12）：14-15.

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［9］李紅.淺談提高汽車燃油經濟性的幾點措施［J］.長三角，2010（4）：121.

Research Fuel Economy of Automobile Based on Analytic Hierarchy Process

LIU Lei1， WANG Tao1， ZHOU Zhen2， HU Ru-yi1
（1. Department of Military POL Application and Management Engineering， Logistical Engineering University， Chongqing 4013110；2. Engineering and Technological Research Center of National Disaster Relief Equipment， Logistical Engineering University，Chongqing 4013110）

Automobile is necessity of our trip， how to improve fuel economy and make full use of it are emphases of our focus. In this article， the influence factors were qualitatively analyzed， analytic hierarchy process was used to quantitatively study each factors and get the conclusion as follows： engine structure， outfit mass and contour are heavier structure factors， simultaneously driver's operation and working intensity are heavier using factors. Based on the weight vale of each factors， measures to improve fuel economy were put forward.

Analytic hierarchy process； Fuel economy； Influence factor； Measure

TE 624

A

1671-0460（2015）12-2851-05

2015-12-03

劉磊（1984-），男，湖北襄陽人，碩士研究生，2010年畢業于軍事交通學院汽車指揮專業，研究方向：油料勤務。E-mail：1852626056@qq.com。