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基于三次设计的煤层气发动机进气系统空燃比控制设计 摘要 随着工业的发展，石油燃料的生产已逐渐不能满足社会需求。煤层气是非 常规天然气的一种重要类型，含量丰富，是自然界形成的一种洁净新能源。所 以用煤层气作为发动机燃料是很有发展前景的。 我国研究开发气体燃料发动机方面起步较晚，发展较慢，与国外的差距比 较大，关于煤层气发动机的研究目前还处在基础研究阶段。 本论文首先简要介绍了如何把柴油机改装成为煤层气发动机并介绍了相关 的试验注意事项和所用到的传感器。然后对煤层气发动机进气系统空燃比控制 方面进行了三次设计。通过内、外设计的直积分析方法，分析了显著因素的误 差对产品性能及稳定性的影响，建立了质量损失函数和确定了显著因素的容差。 最终确定了最佳参数组合。 关键字：煤层气发动机空燃比三次设计信噪比正交试验 t h ed e s i g no na i r - f u e lr a t i oc o n t r o lo fc b m e n g i n ei n t a k e s y s t e mb a s e do nt h r i c ed e s i g n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y t h ep r o d u c t i o no fo i lh a sn o tm e tt h en e e do f c o m m u n i t y c o a l - b e dm e t h a n ei s a ni m p o r t a n tt y p eo fn o n c o n v e n t i o n a ln a t u r a l g a s ，a n di ti sv e r yr i c h ，a n d i st h en a t u r a lf o r m a t i o no fac l e a nn e we n e r g y s o ，i th a s al a r g ep r o s p e c tt ou s ec o a l b e dm e t h a n ea sf u e le n g i n e c h i n a sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fg a se n g i n es t a r t e dl a t e ，a n dd e v e l o p e d s l o w l y ，a n dh a v eal a r g ed i s t a n c e w i t ht h ef o r e i g n n o wt h er e s e a r c ho nt h e c o a l b e dm e t h a n ee n g i n ei ss t i l li nt h ep r i m o r d i a ls t a g e t h i sp a p e rb r i e f l yd e s c r i b e sh o wt h ed i e s e le n g i n ec o n v e r t e di n t oc o a l - b e d m e t h a n ee n g i n ea n dt h ei n t r o d u c t i o no ft h em a t t e r sr e l a t e dt ot h ea t t e n t i o no ft h e p i l o ta n dt h eu s eo ft h es e n s o r s t h e nt h ec o a lb e dm e t h a n ee n g i n ei n t a k es y s t e mf o r a i r f u e lr a t i oc o n t r o lo ft h r i c ed e s i g n w i t ht h em e t h o do fi n n e ra n do u t e rd e s i g n i n t e g r a la n a l y s e s ，t h ee f f e c to ft h ec l e a rf a c t o r so nt h ec h a r a c t e r i s t i ca n ds t a b i l i t yo f t h ep r o d u c th a sb e e ns t u d i e d ，t h r o u g hw h i c ht h eq u a l i t yl o s i n gf u n c t i o nh a sb e e n e s t a b l i s h e d ，a n dt h et o l e r a n c eo ft h ec l e a rf a c t o r sh a v eb e e nm a d es u r e f i n a l l yt h e b e s tc o m b i n a t i o no fp a r a m e t e r si sd e t e r m i n e d k e yw o r d s ：c o a l - b e d m e t h a n ee n g i n e 、a i r f u e lr a t i o 、t h r i c ed e s i g n 、 s i g n a l t o - n o i s er a t 、o r t h o g o n a le x p e r i m e n t 2 图表清单 图2 1 三次设计的流程框图4 表2 一l 正交表l 8 ( 27 、6 图2 - 2 动态特性示意图8 图2 3 非线性效应的一般原理1 0 图2 - 4 参数设计框架1 1 图2 - 5 容差设计实施框架图1 4 图2 - 6 三次设计作用图1 5 表3 1 预混点燃式煤层气发动机技术参数1 7 图3 - 1 煤层气发动机进气系统简图1 8 图3 - 2 煤层气混合器简图1 9 图3 3 接线示意图2 0 图3 4 流量传感器接线示意图2 0 表4 - 1 可控因素水平表2 4 表4 - 2 内表表头2 4 表4 3 内表及s n 比数据一2 5 表4 - 4 误差因素水平表样表2 5 表4 - 5 误差因素水平表2 5 表4 - 6 外表表头2 6 表4 - 7 内表中n o 1 的外表及输出特性值一2 6 表4 - 8 内表中各号方案输出特性值及s n 比2 8 表4 - 9s n 比的方差分析一2 9 表4 1 0c l 、c 2 、c 3 条件下y 的值2 9 表4 - 1 1 最佳条件的误差因素水平表3 0 表4 1 2 最佳条件的外表及输出特性值3 0 表4 一1 3 方差分析辅助表3 l 表4 1 4 输出特性得方差分析表一3 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金目墨王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：多伏篪 签字日期：力够年，月罗。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金a 曼王些盍堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 获光 签字日期：劢伊，彤p 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 电话： 邮编： 致谢 本论文的研究是在导师高荣慧副教授的悉心关怀与精心指导下完成的。三 年的研究生学习过程中，高老师在学业上对我谆谆教导，在生活上给我无微不 至的关怀，使我得以顺利地完成学业。导师严谨求实的治学态度、宽厚待人的 气度，值得我一生去学习。值此论文完成之际，谨向高老师致以衷心的感谢。 同时在读研期间，机械设计教研室的老师们给了我很多的帮助和指导，使我 倍受感动，在此向黄康老师、翟华老师、丁曙光老师等表示衷心的感谢。 感谢机设教研室的罗辉、徐顺和师弟吴地勇等同学，在论文制作阶段给予 我很大的帮助，让我感受到同学友情的珍贵。 感谢我的父母和家人对我的支持和理解，使我安心学习和深入研究。 感谢我成长道路上的每一位老师! 感谢所有关心和帮助过我的人! 最后，对在研究生期间给我关心和帮助过的老师和同学表示最诚挚的谢意。 第一章绪论 1 1 研究的背景和意义 能源短缺、环境恶化和人口过多是人类社会的发展的三大问题。其中能源 短缺、环境恶化是与汽车工业的发展密切相关的。常规的汽车发动机燃用汽油、 柴油这两种石油燃料，随着工业的发展，石油燃料的生产已逐渐不能满足社会 需求。石油是一种不可再生的能源，按照目前的消耗水平，在今后的几十年内 可能会消耗殆尽，这迫使人们必须开发新的代用燃料。煤层气( 煤层甲烷) 是 非常规天然气的一种重要类型，它存储于煤层及邻近的岩层中，含量丰富，是 自然界形成的一种洁净新能源，其热值较高，燃烧时不生成烟尘和硫化物气体 【1 1 。所以用煤层气作为发动机燃料是很有发展前景的。 目前，国外气体燃料发动机研究已经取得了很好的成绩。如日本丰田公司 研制的l p g 单燃料发动机1 g - g p e ，日本本田公司的c i v i c 系列天燃气汽车都能 达到既保持良好的汽车性能，又能满足严格的排放标准。同时国外对气体发动 机的稀薄燃烧技术进行了广泛和深入的研究，并认为这是未来的发展方向。近 年来，国外许多燃气汽车生产商和发动机制造商，都在研制并采用燃气发动机。 国内关于气体燃料发动机的理论研究与研制方面起步较晚，但是发展比较 的快。最近几年来，在天然气、液化石油气发动机方面作了一些有意义的工作， 取得了一定的成绩。与国外相比，我国燃气发动机技术水平落后主要体现在发 动机的改装技术、燃气供气装置的设计、制造、匹配和电控系统的开发与应用 水平上。目前除- - d , 部分车辆燃气发动机是进口产品外，大部分仍是燃气汽车 的第一代产品，即在原有柴油机和汽油机上采用机械控制混合器。 国家实施“中国汽车清洁行动 以来，国内企业、科研机构高等院校和相 关单位承担国家清洁汽车关键技术攻关与产业化项目，取得了一定成果，主要 涉及几个方面：双燃料发动机及其供应系统、燃气发动机的排放、燃气发动机 的电控喷射技术以及有关燃气发动机动力性改善的研究。但不可否认目前我国 燃气汽车的排放控制和动力性能恢复等问题仍然没有得到很好地解决，依然是 当前的研究重点，且发动机电控单元的开发，控制系统可靠性、鲁棒性等方面 也需要进一步研究与完善。目前我国一些研究机构和科研院校正在开发具有自 主知识产权的燃气电喷技术的发动机1 2 儿引 4 1 。 为了节约研究成本，本课题把s 1 9 5 柴油机改装为煤层气发动机作为研究 目标，对发动机影响较大的进气系统做了具体研究。用三次设计的方法合理安 排各个可控因素水平进而控制空燃比以提高煤层气发动机燃烧效率，为发动机 前馈处理模型的建立提供有效的数据，进而改善燃气发动机动力性能，使改装后 燃气汽车尽可能体现气体燃料的清洁特性。 产品三次设计法是由日本的著名学者、试验设计专家田口玄一博士 ( d r g e n i c h it a g u c h i ) 于2 0 世纪7 0 年代创立的优化设计方法。田口玄一博士认 为，无论是设计一个新产品还是一种新工艺，可以分为三个阶段进行：第一阶 段系统设计，提出初始设计方案；第二阶段参数设计，探求参数的最 佳搭配，提高产品性能的稳定性；第三阶段容差设计，对关键件给以合适 的容差( 或公差) 范围。三次设计法的基本思想是用正交表安排试验方案，用误 差因素模拟各种干扰，以信噪比即s n 比( s i n g n a l n o i s er a t i o ) 作为衡量产品质 量特性稳定性的指标，使产品达到结构参数和性能参数最佳合理搭配、噪音低、 效率高、低成本等综合最优效能【5 j 。三次设计法在日本汽车、电子、仪表、机 械、轻工、化工、冶金、制药等行业被广泛应用，创造了巨大的经济效益。1 9 8 9 年日本天皇授予田口博士蓝绶褒章。 1 2 田口理论在其他国家的应用 田口方法( 主要是三次设计) 自创立以来，受到了国际上的高度称赞和重视， 己在许多国家和地区得到广泛的推广应用。 ( 1 ) 在日本，自从田口博士5 0 年代首次提出了正交试验法以后，这种试验 设计的方法就在日本得到了非常广泛的应用。在6 0 年代，日本应用正交设计就 己超过百万次。例如丰田汽车公司的分公司日本电装株氏会社一年中有2 0 0 0 个项目使用正交表，东京复印机厂平均每个月做2 0 0 0 项正交试验。此后，以田 口博士为首的一批质量专家通过实践不断完善和优化这种方法，使正交试验法 的应用范围更加的厂泛，并于7 0 年代末提出了三次设计的基木思想和方法【6 j 。 1 9 8 2 年，田口玄一博士在北京讲学时曾说：“日本人学质量管理，用一半时间 学习正交设计。在日本，据说一个工程师如果不懂三次设计，就只能算是半个 工程师。正是由于日木在质量设计方面的孜孜追求，使他们虽然对专业技术的 投入很少，主要是向美国等国家买回专利，但通过参数设计和容差设计，就能 生产出物美价廉的产品，畅销全球。 ( 2 ) 在美国，当田口博士的正交试验法首次传入美国时，由于该方法的内容 生涩难懂而被美国统计学家称为“看不懂的天书，加之美国人的高傲，因而在 8 0 年代以前田口博士的正交设计一直未被美国所接受。但随着日本高质量的产 品不断涌入美国市场之后，美国人才开始反省自己，通过大量的调查研究，终 于承认二战后日本经济高速增长并超过美国的一个决定性的因素就是推广应用 了正交设计。此后，从8 0 年代中期起，美国的各大公司、科研机构纷纷推广应 用田口方法。田口玄一博士被美国贝尔电话研究所、福特汽车公司、斯坦福大 学等聘为名誉研究员和名誉教授。1 9 8 6 年美国宇航协会授予田口博士小洛克威 尔( r o c k w e l lj r ) 奖。期间有大量的统计学家开始进入田口方法这个研究领域， 无论在理论还是实践中都取得了非常大的成果【_ 7 1 。例如，随着日本汽车大量进 2 入美国本土，美国著名的三大汽车制造商通用、福特、克莱斯勒不得不在质量 设计方面加强控制。在它们联合出版发行的质量体系要求q s 9 0 0 0 ) ) 中，对供 方应用田口方法进行设计提出了非常严格的要求。总之，在重视了参数设计和 容差设计之后，再加之本来就拥有的系统设计的优势，这些共同促使了美国产 业和经济的再次腾飞。 1 3 田口理论在国内的应用 我国从2 0 世纪5 0 年代开始研究试验设计这门科学，六十年代末中国科学 院统计数学研究室在正交试验设计的观点、理论和方法上都有新的创见，创立 了简单易行的正交试验设计法。1 9 7 3 年以来，许多研究、生产单位和大专院校 应用正交试验设计解决了不少科研和生产的关键问题。产品三次设计在我国起 步较晚。8 0 年代兵器工业质量管理协会，一直致力于田口方法的引进、研究和 推广工作，曾邀请田口先生亲自来华讲学，进行现场指导，并培养出了一批应 用田口方法骨干力量，取得了不小的成绩。至今己取得有价值的应用成果千余 项，取得了几十亿元的经济效益【8 】 9 1 。这些成果涉及到很多行业，如机械、化 工、电子、光学、冶金等，内容主要是三次设计的应用成果，如新产品、新工 艺的优化设计等。突出的例子如：( 1 ) f l 匕京化工厂铬酸钡产铬，用正交法只做了 十几次试验就找到了问题的关键，仅添置一台工业酸度计和调整设备布局，就 把劳动生产率从月5 0 6 0 公斤人，提高到月6 0 0 7 0 0 公斤人。( 2 ) 北京长城光学 仪器厂的“可见近红外超宽带减反射膜”项目，用正交法突破了国外对我国的 技术封锁，制造出我国自己的夜视仪。 1 4 本文研究的主要内容 本课题是在对煤层气发动机进气系统设计相关问题研究的基础上，用三次 设计的基本方法对其中的一些关键问题进行了进一步研究。 首先总结了三次设计的基本原理和方法。从产品质量形成过程中不同阶段 重要性程度着手，引出“源头治理 的概念；并详述三次设计的基本原理及实 施的大体框架和相关重要概念。然后介绍了如何把s 1 9 5 柴油机改装为煤层气 发动机，改装过程中所要注意的一些事项和试验中用到的各种传感器和测试仪 器，其中主要对本课题研究比较紧密的s 1 9 5 柴油机的进气系统改装做了详细 的介绍。最后在三次设计基本原理的基础上，运用三次设计的基本原理和方法 对煤层气发动机进气系统空燃比控制方面进行了设计。 第二章三次设计的基本原理与方法 在传统改进质量的过程中，通常是依靠检验和审查工序来控制质量。但这 种方法只能控制低劣产品流入市场，并不能改进质量。不管是事后检验还是过 程控制，都只能起到治疗症状的作用。因此质量概念将随着预防哲学而发展， 问题在源头而不是在成为河流时就得到解决。 产品的质量首先是设计出来的，其次才是制造、检验出来的。那么，如何 提高产品的设计质量呢? 本世纪7 0 年代，田口博士提出了三次设计方法。他指 出要设计一个新产品可以分为三个设计阶段，即：系统设计、参数设计、和容 差设计 1 0 l 【l 。通过三次设计，我们不仅可以有效的改善产品的设计质量，减小 噪声因素对质量的影响，而且可以更经济的达到理想的质量要求，即“用三类 元件设计制造出一类整机，图2 1 给出了三次设计的程序框架。 用户需求 上 系统设计 运用专业的科学和工程技术初步选 定部件或材料 确定输出质量特性及类型 土 参数设计 选择可控因素最佳水平组合 运用试验设计等优化方法找出目标值 不增加成本的条件下使系统对波动不敏感 土 容差设计 在质量和成本间权衡 利用质量损失函数优化 在一定的成本增加前提下求得进一步 改进质量 上 稳健产品 图2 - 1 三次设计的流程框图 4 2 1 三次设计的基本概念介绍 由于田口方法，尤其是三次设计涉及到了许多跨学科的理论，知识分散且 专业术语比较多，为了试验研究打下基础，下面主要介绍些常用的概念。 2 1 1 输出质量特性 输出质量特性即指选用什么样的特性值来度量产品的质量。对于具体的某一种产 品设计，选用什么特性值来度量质量，是一个非常专业的问题。当产品的功能特性在 使用中对于任何时刻给定输入信号便产生恒定的输出结果或行动，则称该产品的质量 特性是静态的。在理想情况下，输出特性y 为服从某种分布时，它将是一种平稳随机 过程。而动态特性是指对于使用者的某一个意志发出一个信号，便产生相应的输出结 果和行动。也就是说，特性值是随时间的变化而变化的1 1 2 j 。例如，对汽车的操纵特性 来说，当司机根据道路条件确定需要转弯的“意志 后，便发出信号，使转向盘的转 角对应于汽车行驶方向向左( 或右) 转某个角度，这就是信号因素，而此时的输出特性 就是汽车实现的转弯半径动态特性值。 针对静态的质量特性，可以分为以下三种类型。 ( 1 ) 望目特性质量特性y 的目标值为一定值，希望y 围绕目标值波动，波 动越小越好，则称y 为望日特性。例如零件的尺寸等。 ( 2 ) 望小特性不取负值，希望质量特性y 越小越好，波动越小越好，则称 y 为望小特性。例如测量误差，杂质含量等。 ( 3 ) 望大特性不取负值，希望质量特性y 越大越好，波动越小越好，则称 y 为望大特性。例如零件强度，弹簧寿命等。 2 1 2 质量损失函数 传统观念上，通常是采用废品率和工序能力指数来评价产品的质量特性。废品率 是一种最直接有效的评价质量特性的方法，因此也得到了最广泛的应用。按田口观点， 衡量产品质量的尺度为产品上市给予社会的损失，即利用质量损失函数来衡量质量特 性。 最常见的质量损失函数有以下几种，它们分别为望小特性的质量损失函数， 望大特性的质量损失函数以及不对称型特性的质量损失函数。 ( 1 ) 望小特性的质量损失函数 三( y ) = i o , 2 ( 2 1 ) ( 2 ) 望大特性的质量损失函数 1 三( y ) = 七( ) ( 2 - 2 ) ( 3 ) 不对称型特性的质量损失函数 在有些情况下，产品输出特性在一侧的偏差比另一侧的偏差的危害性更大； 这种情况下可以取不同的质量损失系数k 来描述 郴，= 般二囊- z 三羔 浯3 ， 2 1 3 正交表 正交表是一些己经制作好的规格化的表，是正交实验设计的基本工具，它 给出了各种因素和水平的代表性很强的实验组合。它使用于安排一类因素较多， 周期较长和多指标的试验。 一般的水平数相等的正交表，可以用记号厶0 9 ) 表示，其中各字母的意义为： 厂一赜个数例麴 政丝嚣器， 水平数t 只能是素数或素数的幂，在一般情况下n 、t 、q 满足下面关系式： n l = q ( t 一1 ) ( 2 - 4 ) n - 1 称为正交表的总自由度，t l 是每一列的自由度。上式表明，正交表的 总自由度等于各列自由度之合。 表2 1i e 交表l s ( 2 7 ) 列号 l234567 试验趴 l1111 11j 211l2222 31221l22 4122 22lj 52121212 6212 212j 7221122j 822j2jj2 从表2 一l 可以看出，正交表之所以称为正交，是因为它们具有如下一些特 点： ( 1 ) 表中各列出现的数字个数相同，任一列只出现两个数字“1 和“2 ”，“1 和“2 ”的个数都为4 。 ( 2 ) 表中任意两列并在一起形成若干数字对，不同的数字对的个数相同。表中任 6 何两列形成8 个数字对，分别为( 1 ，1 ) ，( 1 ，2 ) ，( 2 ，1 ) ，( 2 ，2 ) 共四种，每种的个数 都是2 。 ( 3 ) 有些正交表，还有一个附表一一两列间的交互作用列表。当所选因素之间存 在交互作用时，就可通过附表确定任何两列的交互作用应占的列号，即在正交 表中增加了新的一列，也把它作为一个新的影响因素来处理1 1 3 j 1 4 o 除了上述三8 ( 2 7 ) 正交表外，常用到的正交表还有l 9 ( 3 4 ) 、l 1 2 ( 2 1 1 ) 、l 1 6 ( 2 1 5 ) 、 l 2 7 ( 3 坞) 、l 1 8 ( 2 1 3 7 ) 、三3 6 ( 2 1 1 3 1 2 ) 等，它们也都具有以上三个特点。 2 1 4 信噪比 三次设计法中应用的另一个重要概念就是“信噪比”( s n 比) 。s n 比最初应 用于电子通讯工程，是作为通讯效率的一种测度。田口博士于1 9 5 7 年在他的著 作试验设计法中首次提出将s n 比的概念应用到正交实验中来，用以模拟噪 声因素对质量特性的影响，即把s n 比作为衡量产品质量的输出质量特性，s n 越大，那么该参数水平下的产品功能越稳定，社会损失就越4 , 1 1 5 l 1 6 1 1 7 】。此后 4 0 多年来，由于以他为首的一批专家学者的努力，s n 比与正交试验设计在产品 的设计过程中得到了很好的结合，解决了许多不同特性值的综合功能评价问题。 在质量管理中，所谓s n 比，一般是指主效应( 相当于信号) 与误差效应( 相 当于噪音) 之比值，记为： c 7 7 = 7 入r ( 2 - 5 ) 式中：s 因素的主效应 n 误差效应 ( 1 ) 望目特性的信噪比 望目特性一般用于有确定要达到的目标值的场合，希望围绕目标值波动且 波动越小越好。为了达到这个目的，需要两方面的信息：哪些因素影响波动， 哪些因素影响平均值。原则上，望目特性的s n 比为： q r 一期望的输出一 平均值的作用 剧b 一彳弓蠹重百丽一面再事f 酉石函丽 设有n 个数据：y 。，少：，y 。( 所有的数据都是正的) 总波动 s r = y ；+ y ；+ + y ： 误差波动瓯为： ：亟坐立兰丛 以 s 。= s r s 肘 7 ( f = n ) ( f = 1 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 方差圪为误差波动除以其自由度： 圪= 鲁 因此，用叩表示的望目特性s n 比由下式计算： ( 2 - 9 ) 三( s 。一圪) 1 = 1 0 1 9 午) 。1 ( 2 ) 望小特性的信噪比 望小特性输出响应是不取负值，希望结果越小越好的特性，理想值为零。 因此其s n 比可由下式计算： 一川g 去喜讯如) ( 3 ) 望大特性的信噪比 望大特性的输出响应是结果越大越好的特性， 式如下： ( 2 - 1 1 ) 理想值为无穷大。其计算公 7 7 - _ l 。l g 三n 童，= l 去y i ( 招) ( 2 - 1 2 ) ( 4 ) 动态特性的信噪比 动态特性是按既定的意志或目标，通过一定的条件与信号因素的水平，从 而改变输入值，希望系统的输出特性随着信号的变化而相应地变化，且波动越 小越好的质量特性。望目特性的目标值是固定不变的，但对动态特性的目标值 却随信号因素水平的改变而改变。例如：汽车方向盘的转向角是信号因素，而汽 车的实际转弯半径就是动态特性。一般系统的动态特性如图2 2 所示。 图2 - 2 动态特性示意图 衡量一个产品动态特性的好坏，一般从下面三个方面考察： ( 1 ) 对输入信号m 是否具有较高的灵敏度。 ( 2 ) 输出特性是否便于调整和核正。对此，最理想的输出特性y 与信号因 素m 应具有较强的线性关系。 8 ( 3 ) 要求输出特性的波动要小，即要求上式中的s y 要小，这样可使产品具 有较强的抗噪声的能力。 由于动态特性的公式推导比较复杂，而且本文主要是针对静态特性，因此 在此对动态特性不做进一步阐述。 2 1 5 灵敏度 灵敏度是评价产品质量特性平均值的指标，设产品的质量特性y 为随机变 量，其期望值为p ，则弘2 声称为y 的灵敏度。 j l l 2 通常用它的估计j c i 2 来计算。p 2 的计算公式为 应2 = 二( 瓯一圪) ( 2 1 3 ) s m = n y 22 寺( 善z ) 2 ( 2 - 1 4 ) 圪= 击喜( z 厕2 在实际计算中，常把灵敏度用对数化为分贝值 s ：1 0 1 9 ! ( s 。一矿j ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 2 2 系统设计 系统设计即是功能设计，主要靠专业技术来完成，是质量形成过程中的第 一步，也是最关键一步，设计质量的好坏直接影响到最终的产品质量。制造过 程虽然能控制产品间的波动，但不能控制劣化波动，也不能改善产品对环境的 适应性。这些只有通过产品质量设计，才能付诸实施。系统设计的目的在于选 择一个基本模型系统，确定产品的基本结构，使产品达到所要求的功能。它包 括材料、元件、零件的选择以及零部件的组装系统。 通常，进行产品设计，可分为两种情形： ( 1 ) 计算型。产品质量特性与元部件参数之间的函数关系已知，可用理论 公式来计算质量特性值，并对计算结果进行统计分析。 ( 2 ) 试验型。产品质量特性与元部件参数之间的函数关系未知，只能通过 试验才能得到质量特性值。 系统设计是产品三次设计的第一步，也称功能设计或方案设计。它是运用 系统工程的思想和方法，包括运用专业技术、优化设计、可靠性、数据统计等 通用技术，对产品的结构、性能、寿命、传动、材料等进行设计，以制定最合 理地满足用户要求的整个设计过程。为了设计出具有某种输出特性的产品，专 业技术人员利用专业知识和技术，对该产品进行整个结构的设计。因此，系统 9 设计的质量完全由专业技术水平的高低来决定的i l 引 1 9 1 。 系统设计是产品三次设计的基础，可以完成产品的基本结构设计，选择较 合理的因素和水平组合，使产品满足一定的使用功能。但对结构复杂，特别是 参数多、特性值多的产品，要全面考察各种参数组合的综合效应，单凭专业技 术进行定性地判断是很不够的，因为它无法定量地找到经济合理的最佳参数搭 配，这就需要在系统设计基础上进行参数设计和容差设计。 2 3 参数设计 参数设计是在系统设计的基础上，以正交表为基本工具，运用试验设计技 术方法来研究各项参数与输出特性值的关系，在不增加成本，不提高元器件或 零部件精度的条件下，找出输出特性值波动最小的最佳参数水平组合的一种优 化方法。其目的是，在受控因素水平变化时，探讨质量干扰的综合波动会发生 多大的变化，以寻求尽可能不受干扰影响的最佳参数水平组合，从而设计出质 量稳定可靠、成本合理的产品或系统。 产品三次设计的经验表明，元器件、零部件全部采用优质品，整机质量特 性未必达到优质品。若设计方法得当，合理搭配使用低质与优质元器件或零部 件，也能设计出优质的整机产品来。这是因为，整机产品质量既取决于整机的 设计质量，又取决于元器件或零部件及其参数水平的组合【2 0 】1 2 1 1 。由于参数设计 能找出减少参数波动对目标特性值影响的最佳参数水平组合，因此，参数设计 既是质量设计的核心阶段，同时又为容差设计提供了基础。 2 3 1 参数设计的基本原理 参数设计是一种线性与非线性设计，它主要是利用非线性效应，通过合理 的选择参数在非线性曲线上的工作点或中心点，可以使质量特性值的波动缩小； 同时利用与输出特性有线性关系的参数，把平均值调整到目, 示值t 2 2 j ，如图2 3 所示。 、 分 j l 0 气乃 z 图2 - 3 非线性效应的一般原理 若某产品的输出特性y 与某一参数x 的关系如图2 3 a 所示，当参数x 取为 x 。，其波动范围是a x 。，由此引起y 的波动范围为a y 。；通过参数设计，将x l 移到 1 0 岛，此时对于同样的波动范围血( 缸= 缸，) ，输出特性值y 的波动范围变为缈：， 它大大小于缈。与此同时，却产生了一个新的矛盾，即y 从目标值y 。移到了“， 偏移量a y = y ：y 。为了校正这个偏移量，使输出特性值既围绕目标值散布，且 波动又小，可设法找一个与产品输出特性y 呈线性关系，且便于调节的该产品 的参数z ，即y = ( z ) = 口+ b z ( 睦f l2 - 3 b ) 。只要把z 从乙调到z ：，即可补偿上述偏 移量衄。若不进行参数设计，只是把参数x 的波动范围缩小，此时产品质量特 性y 的波动也会变小，但变化的幅度不大，而且缩小参数的波动范围是要付出 成本代价的，由此可看出参数设计对于改进产品质量的重要意义。 从上面基本原理可以看出，参数设计很好的解决了三次设计所追求的主目 标，它可以在不增加成本的状况下，通过影响输出质量特性的因素水平的合理 取值，设计出稳健的产品。 2 3 2 参数设计的实施框架 参数设计的具体实施过程主要是借鉴正交试验设计，首先确定影响输出质 图2 4 参数设计框架 量特性的因素及其水平，然后对因素进行分类【2 3 1 ，利用内外正交表安排试验并 计算结果，最后通过s n 比和灵敏度这两个指标确定因素的最佳水平。具体的 实施框架如图2 4 所示。 2 3 3 参数设计最佳方案的判定准则 传统意义上工程师为提高设计质量通常会利用以下手段：首先是追求目标 值，然后是采用高质量的原材料或零部件。而参数设计是一种不首先追求目标 值的新方法，它的第一步是减小波动，提高稳健性；然后才是调整目标值。通 常，参数设计最佳方案的判定是通过两个指标来衡量，即s n 比和灵敏度。因 为这两个指标分别代表稳健性和平均值，因此可以通过两步优化法得出最佳参 数组合。 第一步优化，选定使s n 比最大的可控因素水平。通常把这种因素称为稳定 因素，稳定因素决定了输出质量特性的波动大小，只有首先按非线性原理缩小 波动，才能制造出稳健的产品。 第二步优化，选定不影响s n 比而影响灵敏度的可控因素水平。用这些可 控因素把灵敏度调整到期望的水平。因为灵敏度是代表平均值的指标，因此通 过调整这种因素( 也称为调整因素) 的水平就可以使质量特性的中心值的偏离缩 小。 因此，通过以上两种指标，进行两步优化，就可以得出参数设计的最佳方 案。 2 4 容差设计 工业生产中，我们把零部件、产品的质量特性值的容许变化范围称为公差， 常以6 表示；把公差的一半称为容差，常以表示，因此6 与两者有如下关 系：= 6 1 2 或者艿= 2 a 。 可以认为，容差是一种允许极限。当产品超过容差时，为不合格产品，则 不能出厂；当产品在容差范围内时，认为是合格品，则能够出厂。 容差设计是在系统设计、参数设计之后，完成了最佳参数组合的选择，并 决定了参数组合的中心值，以各参数水平波动范围为误差因素，去决定容差的 设计过程。其主要方法仍然采用试验设计的方法。容差设计任务，是针对主要 的误差因素，选择波动较小的优质元器件、零部件，以减少质量特性的波动， 但这将会导致成本提高。所以，只有当参数设计后，产品仍然达不到设计的目 标值或输出特性值，或输出特性值的波动仍然比较大时，即参数设计未能使内、 外干扰充分缩小时，进一步由容差设计来解决，但通常情况下，参数设计之后， 都要进行容差设计。 在容差设计阶段，除了使产品满足容差要求之外，对指标影响大的诸因素 1 2 ( 即所谓对总偏差平方和贡献大的因素) ，用波动较小的优质品代替低质品可使 产品质量提高，但对于指标影响较小的因素则可采用质量差一点的元器件，以 降低成本。因此，在容差设计中，要对产品的质量和成本进行综合考虑。 在容差设计中，为减少用户的损失，需要进行质量损失函数分析计算，用 来对容差设计方案优劣进行评价。 容差就是设计中所规定的最大容许偏差。当规定的容差越小，则该产品的 某尺寸的可制造性就越差，制造费用或成本也就越高。为此，在参数设计阶段， 出于经济的考虑，一般选择波动范围较宽的零部件尺寸【2 3 l 。若经参数设计后， 产品能达到质量特性的要求，则一般就不再进行容差设计，否则就必须调整各 个参数的容差。 因此，容差设计可以认为是参数设计的补充。通过参数设计确定了系统各 零部件或元器件参数的最佳组合之后，进一步确定这些参数波动的容许范围， 这就是容差设计。也就是根据各参数的波动对产品质量特性贡献的大小，从经 济性角度考虑有无必要对影响大的参数给予较小的容差( 用一、二级品替代三级 品) 。这样，一方面可以进一步减少质量特性的波动，提高产品的稳定性，减少 质量损失；另一方面，由于采用一、二级品代替三级品，使产品的成本有所提 高。因此，容差设计阶段既要考虑减少参数设计阶段所带来的质量损失，又要 考虑缩小一些元件的容差交替地增加成本，要权衡两者的利弊得失，采取最佳 决策。 2 4 1 容差设计的基本原理 容差设计是在参数设计得到的最优试验方案的基础上，通过非线性效应， 调整可控因素的容差范围，通过正交试验设计，利用质量损失函数得出最佳的 容差水平。其非线性效应的原理同与参数设计。 2 4 2 容差设计的实施框架 容差设计中的正交试验设计过程与参数设计相同，但评价的指标不同，容 差设计需要用质量损失函数来确定质量水平，即综合衡量最优的容差组合。其 基本框架如图2 5 所示。 2 4 3 质量损失函数判断方案优劣的准则 在此，只对利用质量损失函数来论证不同设计方案的优劣展开论述，至于 其它几步，在后一章的实例分析中将给出详细步骤。 以望目特性的质量损失函数为例，己知其损失函数的表达式为： ( y ) = k ( y m o ) 。k = 4 _ o 在上式中，4 。代表质量波动带给用户的损失，。为用户可以接受的容差；y 为质量特性观测值，聊。为质量特性目标值。 根据参数设计的最佳方案，制 定误差冈素水平表 上 选用正交表，确定试验方案 1 l 试验数据的统计分析 上 损失函数与质量水平的确定 上 确定最佳容差 图2 - 5 容差设计实施框架图 通常，容差设计是按照以下准则来判断方案的优劣： 按质量损失函数计算原方案( 参数设计所得最佳方案) 的质量损失，记为 l ( y ) ；然后再计算新方案的质量损失l ( y ) ，由于新方案用容差范围比较小的一 级品、二级品代替容差比较大的三级品，这样就增加了一定的成本c 。 当l ( y ) l ( y ) 十c 新的容差设计最佳方案可取 当l ( y ) l ( y ) 十c 新的方案不可取 以上判断准则是以用户质量损失的最小化为依据，站在顾客的角度考虑设 计问题。当然，这可能会遭到一定的非议，因为按照零缺陷的观点，追求完美 是每个企业不断的目标。质量是免费的，当因为改进质量而增加的表面成本很 高时，它有可能减少了大量无形质量损失；当第一次就把事情做对，即使增加 了成本，也将会节省很多质量控制、质量检验，产品返修等方面的费用。因此， 综合起来，质量改进仍是免费的【2 4 】。 这种非议并非全无道理，当在产品设计阶段，努力把事情做得尽善尽美， 只有一个完美的开端，才有可能制造出无缺陷的产品。因此，在这一步，首先 要不断减小输出质量的波动，其次才考虑成本。 总之，在了解了以上三次设计基本原理之后，通过图2 - 6 ，我们就可以一 目了然的看出系统设计、参数设计和容差设计在设计质量形成过程中的作用及 主要内容。 1 4 参数影响 系统设计因素波动_ 特性值波动 参数设计 容差设计 因素= 波动 ( 选用p e 质零舒件) 图2 - 6 三次设计作用图 2 5 本章小结 本章从设计质量的形成过程出发，循序渐迸地引出三次设计法，并详细论 述了三次设计的基本原理。 本章主要做了以下主要工作： ( 1 ) 详细的分析和总结了与田口方法应用有关的一些跨学科的重要概念， 其中质量损失函数与s n 比是三次设计的核心概念。 ( 2 ) 用图表详细的勾勒出三次设计的主要工作程序，尤其是对参数设计和 容差设计的实施框架做了有益的探讨。 ( 3 ) 总结出了参数设计和容差设计判定方案优劣的准则，通过该准则可以 明确无误的对方案进行取舍。 1 5 第三章煤层气发动机进气系统总体方案设计 环境和能源是关系到人类社会生存和发展的重要问题。能源是国民经济发 展的主要支柱，能源的可持续发展也是国民经济可持续发展的必要条件。众所 周知，我国的能源结构不理想，对环境污染较大的煤炭占一次能源的7 5 左右， 而石油和天然气只占总能源的2 0 和2 。 我国煤层气资源十分丰富，埋深2 0 0 0 米以下的煤层气资源量为3 0 - 3 5 万 亿立方米，超过我国陆上常规天然气资源( 2 9 万亿立方米) ，约占世界煤层气 资源量的2 0 。在经济较为发达的华北地区，煤层气资源量约占总资源量的 6 2 ，这使我国开发利用煤层气具有良好的资源和市场基础。煤层气是一种低 污染能源。燃气发动机与柴油机相比，压缩压力和燃烧压力低，没有高压油泵 和喷油嘴，因此，噪声与振动都低。由于煤层气具有不含硫化物和碳黑的优点， 对控制排放有利【2 5 1 2 6 1 。关于氮化物、一氧化碳、碳氢等排放物，采用与汽油机 相同的废气再循环和三元催化器的方法，可使它们大幅度降低。煤层气热值较 高，燃烧后可以产生较高的功率，所以对煤层气发动机的研究有很好的发展前 景。 3 1 煤层气发动机结构设计方案 本文研究的对象是由某柴油机改装成的煤层气发动机，预混点燃式煤层气 发动机主要技术参数如表3 1 所示。在改装时保持了原机的基本结构不变，如 曲轴连柄机构、配气机构、机体、缸盖、冷却系统、润滑系统及发动机主要配 件附件等，通过合理设计和选择改制的零部件，达到高性能和低成本的改装目 的【2 。7 1 。改装或设计主要体现在以下五个方面： ( 1 ) 由于燃气进气压力的稳定性对发动机性能的影响较大，为避免改装后 的燃气进气系统可能产生的压力波动，设计了一端带橡皮膜的稳压箱，燃气经 压力调节器稳压后，由进气口充入稳压箱，出气口流出的燃气经管道流入气体 混合器，管道上设置多种传感器以检测发动机控制所需的各种参数。 ( 2 ) 进气系统方面，拆去原机供油系统，采用进气管内混合。为此增加了 混合气形成装置即混合器，燃气与空气在混合器中混合之后通过节气门流入发 动机燃烧室。燃气与空气阀门分别控制燃气和空气流量，通过两台步进电机改 变阀门开度实行空燃比控制。煤层气发动机进气系统如图3 一l 。 ( 3 ) 点火系统方面，加装了蓄电池火花点火系统。 ( 4 ) 调速系统方面，通过杠杆机构使原机调速器位移能作用在节气门上， 随转速变化的调速信号由油量拉杆引出，通过球一铰组合件作用于直角臂，将 水平位移转化为垂直位移，再由杠杆机构使混合器节气门手柄绕节气门轴作上 1 6 下转动带动节气门旋转，改变气流流通截面积以达到控制混合气进入气缸流量 的目的。 ( 5 ) 工作时发动机可带动发电机发电，用发电机作为发动机的负载，不但 可以调节发动机的负荷，更重要的是便于进行负载突变实验，避免采用价格昂 贵的发动机动态测功设备。 表3 1 预混点燃式煤层气发动机技术参数 发动机型式四冲程、水冷蒸