汽車發(fā)動機性能的模糊綜合評價方法

毛彩云，吳慕春，陸華忠

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東廣州 510642）

發(fā)動機的技術(shù)狀況是發(fā)動機性能的綜合體現(xiàn)，是發(fā)動機品質(zhì)的總和.每臺發(fā)動機在使用中的壽命消耗歷程就是整體性能的變化過程，這種變化必然會通過發(fā)動機的性能參數(shù)反映出來，有豐富實踐經(jīng)驗的技術(shù)人員綜合這些參數(shù)的變化情況可以判斷其性能的優(yōu)劣.但是實際使用人員的經(jīng)驗是參差不齊的，這就使發(fā)動機性能綜合評價增加了隨意性和盲目性.

發(fā)動機作為汽車和工程機械的動力，綜合評價其整機性能時，要考慮多方面因素，如基本參數(shù)、動力性能指標、經(jīng)濟性能指標、排放性能指標等.由于評價目標較多，而評價目標一般不能同時最優(yōu)，往往相互矛盾，需對其整機性能進行綜合評價.同時，發(fā)動機技術(shù)狀況的評價又具有模糊性.

模糊數(shù)學(xué)自1965年創(chuàng)立以來，由于對傳統(tǒng)精確數(shù)學(xué)進行了延伸和發(fā)展，可以對某些客觀事物中存在的亦此亦彼的模糊現(xiàn)象進行分析，顯示了其廣泛的應(yīng)用前景［1］.近年來，在汽車及發(fā)動機性能評價及診斷領(lǐng)域，模糊診斷與評價得到了廣泛的應(yīng)有，目前的研究主要集中于模糊模型的建立［2］、發(fā)動機故障的診斷［3-4］和發(fā)動機性能的評價［5-7］等方面.

本文以發(fā)動機的經(jīng)濟性、動力性、排放性、振動、噪聲等性能為研究對象，基于模糊綜合評價方法，建立了發(fā)動機性能綜合評價模型，并開發(fā)了發(fā)動機性能綜合評價系統(tǒng).為車輛使用人員、技術(shù)服務(wù)人員等科學(xué)地判斷發(fā)動機的技術(shù)狀況提供基礎(chǔ).

1 發(fā)動機性能綜合評價模型的建立

1.1 評價指標集

綜合評價一臺發(fā)動機性能的好壞，通常是對其動力性、經(jīng)濟性、排放性等方面進行評價.本文建立了以發(fā)動機功率，最大扭矩，加速時間，有效燃油消耗率，HC、NOx、CO排放以及噪聲等為評價指標的發(fā)動機性能綜合評價指標集(圖1).

圖1 發(fā)動機綜合性能評價指標集Fig.1 The evaluation index set of engine performance

發(fā)動機性能綜合評判因素集即指標空間記為U，U={U1，U2，…，Um}.這里 m=8，U1，U2，…，U8分別為額定功率、最大扭矩、加速時間、有效燃油消耗率、HC排放、NOx排放、CO排放和噪聲.

若Yi表示Ui的標準參數(shù)值，則發(fā)動機的各個指標的標準參數(shù)定義為一個標準參數(shù)集，表示為:

若Xi表示Ui的測量值.則將發(fā)動機的各個指標的檢測參數(shù)定義為一個評價指標參數(shù)集，表示為:

式中:X為檢測指標參數(shù)的集合，X1～Xm為檢測參數(shù)，m為檢測參數(shù)的數(shù)目，這里m=8.

1.2 各指標權(quán)重的確定

基于模糊集理論，應(yīng)用模糊變換原理，采用成對比較法及層次分析法(AHP法)，在專家及檢測人員自身打分的基礎(chǔ)上，建立數(shù)學(xué)模型，確定各影響因素的權(quán)重.

引入對比函數(shù)f(x，y)表示對總體而言x比y的重要程度，若 f(x，y)＞1，說明 x比 y重要;f(x，y) ＜1，說明y比x重要.具體賦值如表1.

對于指標空間U={U1，U2，…，Um}.若2 個指標兩兩相比較，對總體目標而言的重要性確定下來，就可以對每2個指標相比較時進行賦值，各個指標相比較的數(shù)值就可以得到指標權(quán)重的判斷矩陣A.

表1 因素對比賦值表Tab.1 Factor comparison assignment sheet

1.3 評價等級、模糊關(guān)系矩陣的建立

采用V={優(yōu)秀，良好，中等，低劣}來表示發(fā)動機性能評價的4個等級.對各個性能等級給出相應(yīng)等級系數(shù).定義等級系數(shù)集T={t1，t2，t3，t4}.

為表示檢測參數(shù)對各性能等級的隸屬程度，引入左半梯形分布隸屬函數(shù).

式中，a、b為相鄰的2個等級.

采用圖解法求出各個指標的隸屬度r(圖2).

當X/Xb的值落在橫軸的某一位置時，由折線ABC得到的r為r1，由折線DEF得到的r為r2，由折線CGH得到的r為r3，由折線FJK得到的r為r4.對每個指標運用圖解法，都可以得到4個評價等級的4個隸屬度.8個指標分別得到的4個隸屬度，轉(zhuǎn)化為二維數(shù)組就可以得到矩陣R.

1.4 綜合評判

根據(jù)以上建立的〈U，V，R〉評判空間，再根據(jù)模糊矩陣合成運算，得出綜合評判結(jié)果向量Y，由Y={y1，y2，…，yp}中各分量值的大小即可綜合判定發(fā)動機性能的優(yōu)劣.本文采用加權(quán)平均型計算綜合評判結(jié)果，即

由 Y={y1，y2，…，yp}中各元素值的大小來綜合評價發(fā)動機性能的優(yōu)劣.

2 系統(tǒng)設(shè)計

采用Visual Foxpro開發(fā)平臺，設(shè)計開發(fā)了發(fā)動機綜合性能評價系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示.本系統(tǒng)建立特定型號發(fā)動機的標準性能參數(shù)數(shù)據(jù)庫，當把對某型號發(fā)動機測出的參數(shù)輸入數(shù)據(jù)庫中，與數(shù)據(jù)庫中的標準參數(shù)進行比較，經(jīng)過〈U，V，R〉數(shù)學(xué)模型的計算，得出一組綜合評判結(jié)果向量Y，根據(jù)各分量大小就可以對其性能進行綜合判定.因此，實踐應(yīng)用中，一般只要把對某一型號的發(fā)動機先進行檢測，得到檢測出來的發(fā)動機性能參數(shù)數(shù)據(jù)，輸入到評價系統(tǒng)中，就能得出發(fā)動機性能綜合評價結(jié)論.

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖Fig.3 The sketch of system structure

3 應(yīng)用實例

以北京吉普汽車有限公司生產(chǎn)的C498QA直列四缸多點電噴汽油機為例，應(yīng)用本文的模糊評價模型對發(fā)動機進行了綜合評價.發(fā)動機各指標的標準參數(shù)和檢測參數(shù)如表2所示.

表2 C498QA主要指標參數(shù)Tab.2 The main parameter index of C498QA

加速時間是轉(zhuǎn)速從1000 r/min提高到4000 r/min的時間.環(huán)境指標滿足GB18352.2—2001和歐Ⅲ標準，現(xiàn)以歐Ⅲ標準為各指標的標準參數(shù)值，噪聲標準值為60 dB.如表3所示.

表3 C498QA其他指標參數(shù)Tab.3 The other parameters of C498QA

將以上參數(shù)輸入評價系統(tǒng)交互界面，如圖4所示.點擊“評價按鈕”，如發(fā)動機單項指標超標，系統(tǒng)會彈出警告窗口，如圖5所示，點擊“確定”即可得出綜合評價結(jié)果，如圖6所示.若用戶需要打印評價的結(jié)果，可以單一擊“打印”按鈕.就可以打印出此型號發(fā)動機的標準性能參數(shù)和檢測參數(shù)以及各指標的達標情況.

圖4 檢測參數(shù)錄入窗口Fig.4 The data input interface of inspection parameters

圖5 系統(tǒng)警告窗口Fig.5 The warning interface

圖6 評價結(jié)果窗口Fig.6 Evaluation result interface

4 結(jié)論

通過對發(fā)動機性能影響因素的分析，對比各指標對發(fā)動機性能的影響程度，確定了發(fā)動機額定功率、最大扭矩、加速時間、有效燃油消耗率、HC排放、NOx排放、CO排放及噪聲作為綜合評價發(fā)動機性能的指標集.

采用模糊數(shù)學(xué)綜合評判和決策的方法，實現(xiàn)發(fā)動機性能的綜合評價.采用模糊數(shù)學(xué)＜U，V，R＞模型，對指標集權(quán)重的分配采用層次分析法(AHP法)，評判運算時采用加權(quán)平均法，從而得出性能綜合評價結(jié)論.

基于普通軟件Visual Foxpro設(shè)計平臺，開發(fā)設(shè)計了發(fā)動機性能輔助診斷系統(tǒng)，實例分析表明，系統(tǒng)使用方便可靠.

［1］彭祖贈，孫韞玉.模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用［M］.武漢:武漢大學(xué)出版社，2000:122-149.

［2］畢小平，張更云，韓樹，等.一種診斷車輛發(fā)動機技術(shù)狀況的模糊模型［J］.內(nèi)燃機學(xué)報，2000，18(4):12-15.

［3］朱金光.汽車故障診斷的模糊綜合評判方法［J］.工程技術(shù).2007(5):83-84.

［4］周立其.汽油發(fā)動機故障模糊診斷數(shù)據(jù)庫專家系統(tǒng)的研究［D］.杭州:浙江農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，1998.

［5］柴保明，吳炳勝，王祖訥.發(fā)動機整機性能的綜合評價［J］.內(nèi)燃機學(xué)報，2002(1):67-68.

［6］陸明，王耀華，史長根.內(nèi)燃機綜合性能指標的一種加權(quán)評價法［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2000，1(4):19-24.

［7］楊靖，李克.內(nèi)燃機使用性能評價新方法［J］.客車技術(shù)與研究，2003，25(5):4-6.