模糊層次法在柴油機性能開發中的應用研究

潘發存，韓金輝，李麗麗，馮海浩，代子陽

（濰柴動力股份有限公司， 山東 濰坊 261000）

柴油機因具有較強的動力性、經濟性，從而做為主要動力輸出，廣泛用于汽車、輪船、發電、軍工等方面［1-3］。隨著地球上化石燃料等一次能源的減少以及日益惡化的生存環境，柴油機的排放法規不斷升級，人們節能減排的意識不斷提高，柴油機的開發也隨之向低油耗，低排放方向發展。影響發動機油耗和排放的參數很多，主要包括：共軌管壓力、主噴時刻、廢氣再循環等參數，不同參數組合方案對發動機經濟性、排放性能的影響差異較大［4-7］。因此，在發動機性能開發時選取的方案要同時兼顧經濟性和排放性能。

模糊層次法（FAHP）是20 世紀70 年代美國運籌學T.L.Saaty 教授提出的一種定量與定性相結合的系統分析方法。該方法對于量化評價指標,選擇最優方案提供了依據, 并得到了廣泛的應用［8-11］。

本文主要闡述了在發動機性能開發時，首先通過試驗設計（Design of Experiments DOE），將影響發動機性能的變量如：共軌管壓力、主噴時刻、廢氣再循環等通過不同排列組合設計出多種試驗方案；將所設計的所有方案分別在發動機試驗臺架上進行試驗，分析試驗數據，然后根據試驗結果優化掉明顯不符合標定的方案；將剩余方案利用模糊層次法計算出相應權重，從而確定優選方案。

1 試驗設計

1.1 試驗樣機

試驗用柴油機技術規格如表1 所示。

表1 柴油機主要參數

1.2 試驗設計（DOE）

以1 480 r·min-1@780N·m 工況為例，研究不同軌壓、提前角、廢氣再循環參數組合對發動機性能差異的影響。通過設計40 種不同的方案，針對每種試驗方案均利用發動機試驗臺架進行試驗，試驗過程中使用EATS 公司的INCA7.1 標定軟件進行電控數據標定，使用湘儀的電力測功機控制發動機的運行工況，使用日本HORIBA 公司的直采氣體分析儀測量發動機尾氣中的NOx等成分。分析試驗結果，40 種不同試驗方案對應40 種不同的結果，將這40種結果中明顯差的點進行優化、篩除，剩余6 種方案如表2 所示。

表2 試驗結果

2 基于模糊層次法的方案優選

2.1 層次模型建立

將發動機性能標定方案優選作為目標層，燃油消耗率、NOx比排放、煙度等技術指標作為準則層，6 種標定方案作為方案層，以此為基礎構建層次結構的模型，如圖1 所示。

圖1 性能標定方案優選模型

2.2 構建模糊一致性矩陣

根據所開發柴油機性能要求，初步確定各項性能指標的重要性從大到小排序依次為：燃油消耗率、NOx比排放、483 煙度。以矩陣的形式表達因素對上層某個層次的重要程度。其矩陣元素確定方式如下：（1）當因素優于因素時，因素取值為1；（2）當因素優劣相同時，因素取值為0.5；（3）當因素劣于因素時，元素取值為0。因此組建模糊判斷矩陣如下：

通過表2 中的數據，得到模糊一致矩陣：F1、F2、F3。

在運用模糊層次法進行優選時，最重要的是建立正確的模糊一致矩陣，對模糊矩陣進行求和計算，記為：；同時，由數學變換建立模糊一致矩陣。

將F1、F2、F3、F4 全部轉化為模糊一致矩陣R1、R2、R3、R4。

2.3 層次單排序

層次單排序是指針對上層因素，對該層全部元素的重要性和優選權重排序。其公式為：，m為矩陣階數。由計算公式得各指標權重為：W=［0 .5000.3330.167］T，然后用相同的方法分別計算出R1、R2、R3 所對應的權重W1、W2、W3 為：

2.4 層次總排序

將所得到的W以及W1、W2、W3、W4 的計算結果，計算層次總排序為：

根據層次總排序向量，得到6 種標定方案的相對優劣順序為1#、2#、5#、6#、4#、3#，即1#為最佳方案。

4 結 論

1）性能標定方案優選的過程中，涉及到多個指標的評價，優選困難，根據模糊層次法為性能標定方案的優選建立了科學、高效、合理的決策模型。

2）根據實例進行將試驗結果計算分析表明，運用模糊層次法對發動機性能標定方案進行綜合評估是適用的、有效的。為發動機標定方案的優選提供了全新的思路。