车用汽油机整机性能评价系统的开发设计

1、 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计车用汽油机整机性能评价系统的开发设计摘要车用汽油机性能主要包括动力性、经济性、排放、噪声及其可靠耐久性等方面。衡量车用汽油机质量实质上就是对整机性能进行综合评定。本课题设计了一个 VB 开发的软件评价系统，并且选取了 6 款车用汽油机进行实例评判。本课题采用汽油机的最大功率、最大扭矩、有效燃油消耗率、排放标准、比功率、升功率六个参数作为评价指标，采用层次分析法对各个指标的重要性进行分析，确定其所对应的权重，采用数学统计法和模糊综合评判法，为定量指标建立其相应的隶属函数，为定性指标划分其相应的适宜度等级，再用模糊数学理论计算出反映汽油机产品整机性能分值，并

2、利用 Visual Basic 编写一个基于该评价方案的车用汽油机整体性能评价系统。关键词：车用汽油机；性能指标；评价体系；层次分析法；模糊综合评价方法 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计THE DESIGN OF AUTOMOTIVE GASOLINE ENGINE PERFORMANCE EVALUATION SYSTEMABSTRACTAutomotive gasoline engine performance mainly includes power performance, fuel economy performance, emissions performance, rel

3、iable performance and noise. Automotive gasoline engine quality is essentially measured by its comprehensive performance. This project has designed a evaluation system on Visual Basic development platform and chose 4 automotive gasoline engines for instance.Considering the data acquisition and pract

4、icability, this project choose maximum power, maximum torque, specific mass , Liters power ,effective specific fuel consumption and emissions standards which are easy to get to value the engine performance. It adopts the analytic hierarchy process to analyze the importance of every index, and use th

5、e mathematical statistics method and fuzzy comprehensive evaluation method to establish the corresponding membership functions for the quantitative indicators and the level for its suitability qualitative indicators, It calculates the performance score that reflects the gasoline engine products with

6、 fuzzy mathematical theory. This project writes a program of automobile gasoline engine overall performance evaluation system based on that evaluation methods. Key words: automotive gasoline engine; performance index; evaluation system; Analytic hierarchy process; The fuzzy comprehensive evaluation

7、method 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计目 录1 绪论.11.1 课题背景及目的.11.2 国内外设计状况.11.3 设计采用的途径.22 发动机的性能指标.42.1 动力性指标.42.2 经济性指标.52.3 强化指标.52.4 紧凑性指标.62.5 其它指标.62.6 本课题选用的评价指标.63 车用汽油机性能提升技术.83.1 增压发动机.83.1.1 涡轮增压 .83.1.2 机械增压 .83.2 电控燃油喷射系统（EFI）.83.3 缸内直喷汽油发动机.93.4 EGR 技术.113.5 双顶置凸轮轴.113.6 可变气门正时（VVT） .114 评价方法.134.1 评

8、价方法概论.134.2 层次分析法.144.2.1 思想和原理 .144.2.2 模型和步奏 .154.2.3 构造判断矩阵 .164.2.4 判断矩阵的一致性检验 .174.2.5 计算指标 II 的权重及矩阵最大特征根.18 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计4.3 模糊综合评判法.194.3.1 思想和原理 .194.3.2 模糊综合评判法的模型和步骤 .195 车用汽油机整机性能评价系统设计.225.1 评价指标的确定.225.2 对指标的处理.225.3 指标权重的确定.245.4 隶属函数的确定.255.4.1 动力性隶属函数的确定 .255.4.2 经济性隶属函数的确定 .2

9、85.4.3 强化指标隶属函数的确定 .295.4.4 紧凑性隶属函数的确定 .305.4.5 环境性隶属函数的确定 .315.5 整机综合评分方案.316 车用汽油机整机性能评价实例.336.1 宝马 5 系 14 款 N20B20 高功率版车用汽油机整机性能评价.336.2 东风标致 508 PSA RFN 10LH3X 车用汽油机整机性能评价 .356.3 东方之子 12 款 SQR484F 车用汽油机整机性能评价.376.4 比亚迪 G6 BYD483QB 车用汽油机整机性能评价.396.5 奥迪 A6L 14 款 CDZ 车用汽油机整机性能评价 .416.6 帕桑特 13 款 CGM

10、 车用汽油机整机性能评价.437 综合评价系统软件的开发.467.1 VISUAL BASIC 简介.467.2 车用汽油机整机性能评价系统简介.467.3 软件的内部代码.487.3.1 定义变量 .487.3.2 赋值 .487.3.3 计算 .497.3.4 设置超链接 .517.4 软件使用说明.518 结论与展望.538.1 结论.538.2 展望.53 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计参考文献.54致谢.55附录.56附录 A 车用汽油机样本统计表.56附录 B 车用汽油机整机性能评价系统（专业简洁版）程序完整代码.59 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 1 页 共

11、65 页1 绪论1.1 课题背景及目的随着私家车越来越多的进入平常老百姓家，各种各样的发动机技术让每一位车主眼花缭乱，而且在实际的评价工作中，由于发动机整机性能涉及多个方面，反映各性能评价指标也较多，很难用某单项性能指标来评价各机型的整机性能好坏，他们很难直观的判断各种发动机的综合性能。目前常见的先进汽油发动机技术有：涡轮增压、机械增压、汽油缸内直喷、可变气门正时技术、可变气门升程系统、电子燃油喷射系统等。综合分析这些技术，它们主要在提升发动机的动力性、经济性、强化程度、排放和紧凑性。所以本课题从车用汽油机的动力性、经济性、强化程度、排放和紧凑性5个方面来对车用汽油机产品的整机性能进行综合评定

12、。本课题选用反映汽油机性能的最大功率、最大扭矩、升功率、燃油消耗率、排放标准、比质量六个指标，用层次分析法和模糊评价法对这些指标进行分析，建立反映汽油机产品整机性能的综合评价方法，以给出单一的综合性能评价指标，并利用Visual Basic编写一个具有实用功能的车用汽油机整机性能评价系统。1.2 国内外设计状况国内的评价系统方法案，大多采用了用层次分析法来确定各指标权重，采用模糊评价方法来确定指标综合测度，选用汽油机的升功率、最大功率、最大扭矩、扭矩储备系数、燃油消耗率、质量、排放等性能指标为评价目标，对发动机进行定量评价。陆明等运用层次分析法和线性代数理论，根据定性分析和定量分析相结合的原则

13、，采用主、客观赋权相结合的线性加权和法对内燃机的各项性能指标进行加权计算、给出单一的综合性能评价指标1。柴保明等使用层次分析法确定指标权重，用均匀等级划分的方案确定边界函数，得到指标评价矩阵，综合指标评价矩阵和权重，得到指标综合测度评价矩阵2。蔡家明等以机组功率、平均有效压力、比重量、燃油消耗率、升功率为评估集，用层次分析法和专家意见相结合的方法来确定评估指标的权重，用参数的平均值和国 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 2 页 共 65 页内外同类机型性能相比较的方法来确定隶属函数和性能评估值，用待定系数法求得对应于评估等级的各性能评估函数，计算出百分制下的发动机评估结果3。全球十佳发

14、动机又名沃德十佳发动机，是美国一项权威杂志4的六名编辑对美国本土销售的车型进行了接近日常驾驶状况的测试，对每台发动机的马力、扭矩、技术含量，以及实际使用中表现出来的工作特性进行全面评估，并最终选出十台综合表现最好的发动机。他们通过日常的驾驶来对所有发动机进行评估。评选的重要依据是发动机的燃油经济性、噪声、振动、科技的创新性、动力性，特别是单位输出功率也是评选的重要指标之一。2014年，沃德十佳发动机上榜的汽油机有：大众3.0 TFSI机械增压发动机、福特1.0L EcoBoost发动机、雪佛兰6.2L OHV V8发动机、本田3.5L V6发动机、保时捷2.7L H6发动机、大众1.8 TSI

15、发动机。1.3 设计采用的途径1.3.1 评价指标的确定本文选用反映车用汽油机动力性、强化程度、经济性、紧凑性和排放的最大功率、最大扭矩、升功率、燃油消耗率、比质量和环保标准6个参数进行分析，运用层次分析法和模糊理论建立反映车用汽油机产品整体性能的综合评价方法。1.3.2 指标权重的确定采用层次分析和二元对比较确定各评估指标间相互比较的相对重要程度，然后根据其相对重要性的不同赋予相应的权重，由此得到指标权重判断矩阵，然后对矩阵W进行一致性判断,再根据判断尺度，对判断矩阵进行归一化处理5。对权重判断矩阵进行处理得到综合测度评价矩阵和总权重排序Wi。1.3.3 评判准则和隶属函数的确定本课题通过采

16、集较多的评估指标样本，求得评估指标的平均值和样本方差，根据指标样本确定隶属函数，将需要比较的车用汽油机的参数代入隶属函数，得到指标评价矩阵6。等级的分值采用均匀等级划分来确定，等级E=优,良,中,劣，对应的评价分值为95，80，65，50。1.3.4 综合评分的确定将权重系数矩阵和指标评价矩阵相乘得到一个综合评价矩阵，与对应的分值相乘 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 3 页 共 65 页累加就可以得到反映车用汽油机整机性能的评分7。1.3.5 PC 程序制作利用Visual Basic程序开发平台，将评价方案编写成一个具有实用功能的车用汽油机整体评价系统。我们把某型号的发动机的参数输

17、入，经过数学模型的计算，就能得出综合评分。 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 4 页 共 65 页2 发动机的性能指标发动机的性能指标常常用来描述发动机的性能，性能指标为评价发动机的性能提供了依据。发动机结构的不断改进和创新都是为了提高发动机的各项性能指标，以提高发动机的性能8。2.1 动力性指标动力性指标是衡量发动机作功能力大小的指标，一般用发动机的有效转矩、有效功率、转速和平均有效压力来评价发动机的动力性好坏。2.1.1 有效转矩发动机工作时，由功率输出轴对外输出的转矩称为有效转矩，记作Me，单位为。 2.1.2 有效功率发动机在单位时间内对外输出的有效功称为有效功率，记作, 单位

18、为kW。有效功率等于有效转矩与曲轴角速度的乘积。发动机的有效功率可以用台架试验方法来测定，或者用测功器测定有效转矩和曲轴角速度，然后根据公式计算出发动机的有效功率Pe。 （2-)(9550106023kwnTnTPeee1）式中：-有效转矩，； n-曲轴转速，r/min。2.1.3 发动机转速发动机曲轴每分钟的回转次数称为发动机转速，一般用n表示，单位为r/min。发动机转速的高低与单位时间内作功次数或发动机有效功率相关，即发动机的有效功率随转速的改变而改变。因此，发动机有效功率的大小必须与其对应的转速一起说明。在发动机产品铭牌上标明的有效功率及其对应的转速分别称作标定功率和标定转速。标定工况

19、是指发动机在标定功率和标定转速下的工作状况。标定功率一般不是发动机所能发出的最大功率，而是根据发动机用途而制定的有效功率最大使用限度。同一种型 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 5 页 共 65 页号的发动机，用途不同其标定功率值一般不相同。2.1.4 平均有效压力发动机单位气缸工作容积输出的有效功称为平均有效压力。单位为为kPa,当工作容积一定时，平均有效压力越大，发动机的做功能力越强。它是评价发动机动力性的重要指标。2.2 经济性指标发动机经济性指标包括有效热效率和有效燃油消耗率（简称耗油率）。2.2.1 有效热效率发动机实际循环的有效输出功与所消耗燃油热量的比值称作有效热效率，它

20、1体现了发动机将燃油中的热能转化为动力的能力的大小，有效热效率越高，单位功所需要消耗的燃料越少，发动机的经济性越好9。2.2.2 有效燃油消耗率发动机每输出单位有效功所消耗的燃油量称为有效燃油消耗率，记作be，单位为g/（kWh）。 （2-310eTePGb2）式中：发动机在单位时间内的耗油量,单位为kg/h；TG 发动机的有效功率，单位为kW。显然，有效燃油消耗率越低，发动机的经济性越好。2.3 强化指标发动机承受热负荷和机械负荷能力的评价指标称作为强化指标，一般包括升功率和强化程度。2.3.1 升功率发动机在标定工况下，发动机单位排量输出的有效功率称为升功率，单位为kW/L。升功率越大，表

21、明单位气缸工作容积发出的有效功率越大，发动机的热负荷和机械负荷越高。2.3.2 强化系数 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 6 页 共 65 页强化程度为平均有效压力与活塞平均速度的乘积，与活塞单位面积功率成正比。活塞平均速度是指发动机在标定转速下工作时，活塞往复运动速度的平均值。2.4 紧凑性指标描述发动机总体结构紧凑程度的指标称之为紧凑性指标，通常用比容积和比质量衡量。2.4.1 比容积比容积是指发动机外廓体积与其标定功率的比值，单位为L/kW。2.4.2 比质量比质量是指发动机的干质量与其标定功率的比值。干质量是指未加注燃油、机油和冷却液的发动机质量。比容积和比质量越小，那么发动

22、机结构越紧凑。2.5 其它指标2.5.1 环境指标环境指标用来评价发动机对环境的影响，主要指的是噪声污染和大气污染。发动机的排放物中含有危害人体健康的有毒物质，对大气有污染，排放有害物分为有害气体和排气颗粒。有害气体主要包括氮氧化物、碳氢化合物及一氧化碳；排气颗粒主要有碳烟和除水以外的各种液态和固态微粒。由于环境指标关系到人类的健康，目前汽车尾气造成大气污染，已经成为公害，目前我国家部分城市的排放法规从国3上调到了国4，2014年7月起，我国将全面实行乘用车国4标准。2.5.2 可靠性指标可靠性指标是指发动机在规定的使用条件下，正常持续工作能力的指标。可靠性有多种评价方法，如首发故障行驶里程、

23、平均故障间隔里程、主要零件的损坏率等。2.5.3 耐久性指标耐久性指标主要用发动机主要零件磨损到不能继续正常工作的极限时间来描述。通常用发动机的大修里程，即发动机从出厂到第一次大修之间汽车行驶的里程数来衡量。2.5.4 工艺性指标工艺性指标是指评价发动机生产制造维修保养过程合理便捷经济的指标。也就是说，发动机结构工艺性好，则更有利于制造和维修，就可以降低生产成本和维修费用。 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 7 页 共 65 页2.6 本课题选用的评价指标评价发动机的指标有很多，在实际应用中，很多指标由于不太重要，而且很多指标在不同发动机之间的区别不大，还有一些指标难以量化处理，考虑到

24、数据的采集和评价系统的实用性，本课题选取了汽车汽油机最为重要的动力性、经济性、强化程度、紧凑性、环境指标五个性能指标作为评价指标。在本设计中，用最大功率和最大扭矩来评价发动机的动力性能，用市郊油耗反推燃油消耗率来评价发动机的经济性，用升功率来评价发动机的强化程度，用比质量来评价发动机的紧凑性，用汽车尾气排放标准来评价发动机的环境性能。 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 8 页 共 65 页3 车用汽油机性能提升技术3.1 增压发动机增压就是将空气预先压缩后供入气缸，以提高空气密度、增加进气量的一项发动机技术。增压后，实际充气量增加，从而可以调高发动机的功率。同时，增压还可以提高发动机的

25、燃油经济性。所以在小型汽车发动机上采用涡轮增压或机械增压，不仅能得到良好的加速性，而且能够得到比较好的燃油经济性。目前市场上广泛采用的增压有废气涡轮增压、机械增压二种类型，它们采用的增压器分别称为涡轮增压器、机械增压器。3.1.1 涡轮增压废气涡轮增压器由涡轮机和压气机构成。它能够将发动机排出的废气引入涡轮机，利用废气所包含的能量推动涡轮机叶轮旋转，涡轮机叶轮带动与其同轴安装的压气机叶轮工作，吸入的新鲜空气在压气机内增压后进入汽缸。涡轮增压也叫做排气涡轮增压，涡轮增压器与发动机没有直接的机械联系。涡轮增压发动机的经济性比机械增压发动机和非增压发动机好，而且可以大幅度地降低噪声水平和有害气体的排

26、放。但是涡轮增压发动机低速时转矩增加不多，而且在发动机工况发生变化时，瞬态响应差，致使汽车不能瞬间响应加速，在低速时的加速性能较差。3.1.2 机械增压机械增压器是由发动机曲轴经齿轮增速箱或由其它类型传动装置来驱动的。机械增压也能有效地提高发动机功率，与涡轮增压相比，它的低速增压效果更好。另外，机械增压器与发动机容易匹配，而且结构紧凑。但是，由于驱动增压器需要消耗发动机功率，因此经济性比非增压发动机要差，并且机械增压器容易损坏，所以在中低端车上一般不采用。 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 9 页 共 65 页3.2 电控燃油喷射系统（EFI）电控燃油喷射系统（electronic f

27、uel injection ）简称EFI系统，它利用各种传感器检测发动机和汽车的各种工况，经过ECU的计算和判断，确定喷油脉宽和点火正时等参数，是发动机在各种工况下均能获得比较合适的空燃比和点火提前角，以提高发动机的动力性能、燃油经济性和排放性能10。当发动机在冷态或在高负荷工况下运转时， ECU进行开环控制来供给浓的空气燃油混合气，以确保发动机的能够正常工作。当发动机在热机或正常负荷状态下运行时， ECU利用氧传感器信号对空燃比气来进行闭环控制，以此获得最佳的空燃混合比。更为重要的时，理论空燃比产生的废气能够三元催化器很好的转化，从而提高发动机的排放性能。EFI系统按喷油器数量可以分为多点喷

28、射（multi-point injection ）和单点喷射(single point injection )。多点喷射又称多气门喷射（MPI）或顺序燃油喷射（SFI）或单独燃油喷射（IFI）多点喷射系统是在每缸进气口处装有一点喷油器，由电控单元（ECU）控制进行分缸单独喷射或分组喷射，多点喷射是将喷射器设在进气门处，汽油直接喷射到各缸的进气前方，再进一步蒸发与空气充分混合后立即通过进气门进入燃烧室，可以不受到进气歧管结构的影响，从而保证均匀一致的混合气分配。多点喷射发动机一般为多气门发动机，为了提升乘用车的发动机性能，目前除小型车外多采用多点喷射系统。 3.3 缸内直喷汽油发动机缸内直喷汽油

29、发动机（GDI）的主要目标是提高汽油发动机的燃烧效率，达到比较低的燃油消耗率，同时它还能比多点燃油喷射（MPI）发动机更高的输出功率。缸内直喷汽油发动机的喷油器安装在发动机的气缸盖上，汽油被直接喷射在燃烧室内。活塞的顶部设计成一个特殊的凹坑形状，使得吸入汽缸内的燃油混合气形成旋流，汽油喷入到汽缸后在火花塞周围形成较浓的燃油混合气，以利于混合气的点燃。缸内直喷汽油发动机具有一些特别的结构特点。缸内直喷汽油发动机具有比MPI发动机更好充气效果的垂直型进气道，在最佳时刻喷射时能产生很强的反向滚流。由于活塞顶部具有的特别形状，在压缩行程的后期喷入燃油，保持集中空燃比的燃油混合气会在混合气扩散前将混合气

30、引至火花塞附近，从而更利于着火。它的高压油泵一提供8-12MPa的喷射压力，使得汽缸内的直喷油雾粒直径可到达20-25。有的GDI发 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 10 页 共 65 页动机采用油压传感器，从而对油轨内的油压进行实时调节。GDI发动机的高压旋流式喷油器可以提高油粒雾化细度，喷孔较大，不容易堵塞，从而减少贯穿度11。缸内直喷发动机根据发动机的运行工况，对喷油时刻和喷油方式进行变换。在部分负荷时，节气门部分打开，进入汽缸内的空气在汽缸内形成旋流，汽油在压缩行程的后期喷入，利用活塞顶部的特殊形状和缸内空气的旋流作用，在火花塞的周围形成比较浓的混合气，而在其余的区域燃油混合

31、气比较稀，这就形成了分层燃烧的稀薄混合气，混合气的空燃比因此可以提高到25-50，从而改善汽油发动机在部分负荷的经济性。在发动机大负荷高速运行时，节气门全开，高速的气流进入汽缸形成较强的空气旋流，在进气行程喷射燃油，能够形成均匀混合气，从而促进燃油充分燃烧。此外，燃油直接喷射到汽缸内，汽油蒸发使缸内的充气温度降低，爆燃的倾向减少，因此可以提高发动机的压缩比，使发动机的热效率得到提高，提高发动机的动力输出。GDI发动机在小负荷时的燃油效率明显下降，并且由于提高了压缩比和采用调节燃油喷射的方式使得发动机的转矩和功率均有提高，对燃油混合气的更加精确的控制使得排放性能也得到一定的改善。 大众的TSI技

32、术（Twincharger Stratified Injection）指双增压（涡轮增压和机械增压）分层喷射技术。涡轮增压和机械增压两种增压方式的结合，不仅提高了发动机的动力性，而且有效的避免了以往涡轮增压发动机的迟滞现象，确保了动力输出的平顺性。同时它是一款缸内直喷发动机，能够实现分层燃烧。但是由于分层燃烧技术对燃油质量要求比较高，而且在分层燃烧的过程中，混合气的空燃比很低，产生大量的氮氧化物，很难达到尾气排放达到标准，以至于大众决定在全球范围内取消分层燃烧技术，只保留了缸内直喷均质燃烧技术。均质稀燃与分层燃烧的进气过程相同，但是油气混合时间更长，形成均质混合气，它的燃烧发生在整个燃烧室内。

33、均质燃烧进气过程中节气门位置由油门踏板决定，能充分发挥动态响应好，扭矩和功率高的特点。进气歧管中的翻版位置随着工况的变化而变化。当中等负荷工况时，翻版是关闭的，有利于形成强烈的进气旋流和混合气的形成与雾化。当高速大负荷工况时，翻版打开，增大进气量，使得更多的空气参与燃烧。均质燃烧的喷油、混合气形成过程与燃烧和均质稀燃模式基本一样，不过，均质燃烧空燃比小于或等于1。中国国内生产的大众TSI发动机阉割了机械增压和分层燃烧，奥迪在全球发布的 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 11 页 共 65 页FSI发动机还都采用均质燃烧模式。类似的缸内直喷技术还有奥迪的TFSI/FSI、梅赛德斯-奔驰的

34、CGI、宝马的GDI、通用的SIDI、福特的GDI和比亚迪的TI。 3.4 EGR 技术EGR主要是为减少NOx的排放而产生的，N2和O2在高温下发生化学反应生成NOx，燃烧温度越高，产生的NOx就越多，采用EGR技术，小部分燃烧后的废气返回到进气系统，而废气中含有大量的CO2，而CO2不能燃烧，对混合气起到了惰性稀释作用，使得汽缸中混合气体的燃烧速度减低，汽缸温度随之下降，从而有效地抑制NOx的生成。EGR通常通过排气歧管旁边的一个小通道连接进气歧管将排出的废气送入到汽缸中再次循环来实现。小通道中安装有一个EGR阀，它控制进入再循环的的废气流量，它的开度由发动机管理系统根据工况和预设程序来决

35、定。3.5 双顶置凸轮轴 双顶置凸轮轴是一种在汽缸盖内配备两条凸轮轴的气门排列形式。两条凸轮轴分别控制发动机的进气门和排气门。根据引擎的构造不同（主要是汽缸排列形式的不同），一台双顶置凸轮轴汽车发动机可最多拥有两条到四条不等的凸轮轴。如今几乎所有的双顶置凸轮轴发动机中，每个汽缸都有三个到五个气门，因此双顶置凸轮轴与多气门技术划上了等号。双顶置凸轮轴可以控制进气门跟排气门的时间差，多气门的优点是气门通过断面面积大，从而发动机的充气效率得到很大的提高，发动机的转矩和功率因此得到调高。一般来说采用双顶置凸轮轴多气门结构的发动机的动力性更强。3.6 可变气门正时（VVT）可变气门正时技术是车用汽油发动

36、机的一项节能减排新技术，它可以提高发动机的燃油经济性、排放性能和动力性能。气门正时和气流通过阻力会给发动机的充气效率、残余废气量和泵气损失带来影响，可变气门正时通过调节气门正时来提高发动机的动力性能、燃油经济性、怠速稳定性和排放性能。对于一台发动机来说，低速运行时最为有利的进气晚关角要比高速时小一些；低速、低负荷工况时气门的重叠角和开启延续角比高速、高负荷工况时也小一些。由于 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 12 页 共 65 页传统的配气机构中配气相位和气门开启延续角及气门升程都为固定值，因此不能兼顾到高低速和大小负荷各种工况，只能在配气相位上采取折中的办法。可变气门正时技术，可以

37、改变气门升程、气门的开启和关闭时刻及其气门开启延续角等参数，使得自然进气发动机的性能得到很大的提高。在自然吸气发动机上应用VVT技术可以控制重叠角，在低速以及低负荷时，采用较小的重叠角，可以使得气缸内残余废气减少，从而可以改善燃烧品质，提高发动机的怠速稳定性；在高速以及高负荷工况时，采用较大的重叠角，可以延迟进气门的关闭时刻，从而利用进排气惯性，可多进气和多排气，因此能够提高发动机的动力性能。VVT技术通过控制进气门的早开或者晚关，可以取消气门或者与节气门配合控制负荷，减少节流损失，从而改善部分负荷时的燃油经济性。在发动机处于大负荷工况时，VVT技术通过对重叠角的控制，实现机内的排气再循环(E

38、GR),增加混合气体中的残余废气量，从而降低燃烧室的温度，使得氮氧化物（NOX）排放降低。同时，合理地控制进气开启角以及排气晚关角，能够利用进排气惯性实现扫气，从而有利于新鲜的工质和激冷层的气体混合，降低碳氢化合物的排放。VVT技术还可以控制发动机内的混合气稳定燃烧，实现均质混合气压缩燃烧（HCCI），从而提高发动机的动力性和经济性。连续可变气门正时技术（CVVT）是近些年来被逐渐应用于现代轿车上的众多可变气门正时技术中的一种。它可以根据发动机的工作状况连续变化，随时控制气门重叠角的大小，改变汽缸进气量以保证发动机的良好运行状态。当发动机处于中等工况（中速匀速行驶）时，CVVT也会相对延迟进气

39、门打开时间，减小气门重叠角，调高充气效率，这样可以减少燃油消耗，降低污染排放，从而提高发动机的经济性和改善发动机的排放性能12。VVT-i是丰田汽车公司研制的新一代智能可变正时气门控制系统，找个系统可以根据发动机的工况，时事地调整凸轮轴的相位，从而精确地控制进气门和排气门打开和关闭的时间。类似的技术还有宝马的Vanos，本田的I-VTEC，奥迪的AVS。它们都是给发动机不同的工作状况下提供最佳的进气效率，只不过所实现的方法是不同的。 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 13 页 共 65 页4 评价方法4.1 评价方法概论评价是人类社会中一项经常性的非常复杂的判断处理活动。在日常生活中，

40、我们常常会遇到这样的评价判断问题：哪个学生的素质高？哪个企业的绩效好？哪款汽车好？等等。对一个事物的评价常常会涉及多个因素或多个指标，我们不能只考虑被评价对象的某一方面，评价是在多个因素相互作用下的一种综合判断，必须全面地从整体的角度去考虑问题。评价的依据是指标。由于影响评价事物的因素往往是众多而且复杂的，因此往往需要将反映评价事物的多项指标加以汇集综合，到一个综合指标，从而来从整体上反映被评价事物的整体情况。这种评价方法就是多指标综合评价方法。多指标综合评价方法是对包含多个指标的事物进行综合评价分析的一系列有效方法的总称。一般来说，它具备以下特点：它的评价系统里面包含了若干指标，每个评价指标

41、分别说明被评价事物的某个方面，所有评价指标构成一个指标体系；评价方案是指最终对被评价事物做出一个整体性的评判的评价体系，最后结果用一个总指标来说明被评价事物的性能或者水平。随着社会经济的发展，评价所需考虑的因素越来越多，规模也越来越大，因此对评价工作本身的要求也越来越高，要求它克服必须主观性和片面性，做到科学性和规范性。因为当前的评价工作不仅要考虑可以结构化和定量化的因素，而且需要考虑大量的非结构化和半结构化以及模糊性和灰色性的因素，所以所评价工作是一个复杂的活动。 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 14 页 共 65 页综合评价不仅是一种认知过程，而且是一种决策过程。综合评价是经济生

42、活中科学决策的一项基础性工作，它可以对事物进行定量分析，为人们正确认识事物、做出科学决策提供了有效的手段。构成综合评价问题的要素有(1) 评价者评价者一般是某个人或者组织。评价者会影响到评价目的的给定、评价指标的建立、评价模型的选择和权重系数的确定。(2) 被评价对象评价的对象通常是同种类型的事物（横向）或者同一事物在不同时期的表现（纵向）。评价的内容、方式及方法由评价对象系统的特点直接决定。(3) 评价指标根据研究的对象和目的，能够确定地反映研究对象某一方面情况的特征的描述性指标叫做评价指标。每个评价指标都是从不同的侧面反映对象所具有的某种特征。指标体系是指由一系列相互联系的指标所构成的整体

43、。指标体系能够根据研究的对象和目的综合分析处理，综合反映出对象各个方面的情况。(4) 权重系数相对于某种评价目标来说，评价指标之间的相对重要重要性一般来说是不一样的。评价指标之间的这种相对重要性的大小，一般用权重系数来描述。指标的权重系数，简称权重，体现为评价指标对总目标的贡献程度，权重越大，贡献程度越多。(5) 综合评价模型多指标综合评价，就是指利用数学分析方法，建立一定的数学模型，将多个评价指标值“合成”为一个整体性的综合评价值,这种评价的数学模型就叫做综合评价模型。任何一种综合评价方法，都要先确定各个评价指标的权重，然后依据一定的权重对各项指标评判结果进行综合，显然，权重的改变会变更综合

44、评价的结果。不可否认，综合评价结果中会带有评价人的的主观性，这是一个不可回避的问题。综合评价工作是一件主观性很强的工作，我们在评价工作中必须尽量少的带有自己的主观性，以客观性为基础，提高评价方法的科学性和有效性。4.2 层次分析法4.2.1 思想和原理在社会生活中有很多问题，比如：经济计划、资源分析，方案选择、区域开发、 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 15 页 共 65 页污染控制等，在某种意义上都可以成为不同程度的决策问题，也就是寻求解决问题的最优途径和方案。一般有两种解决这种决策问题的方法，分别是数学模型法和非数学模型法。数学模型所求得的最优化解很多时候并不是现实生活中的最优解

45、。非数学模型法与数学模型法相比教，更加强调人的思维判断在决策过程中的作用，更加重视研究决策中进行选择和判断的规律，于是在这种背景下产生了层次分析法。层次分析法（The Analytic Hierarchy Process,简记 APH）是美国著名的运筹学家T.L.Sattry等人在20世纪70年代提出的一种定性与定量分析相结合的多准则决策方法。它是指将决策问题的有关元素分解成类似与目标、准则、方案类型的层次，然后在此基础上进行定性分析和定量分析的一种决策方法。层次分析法把人的思维过程层次化、数量化，并用数学方法为分析、决策、预报或控制提供定量的依据。层次分析法是在对复杂决策问题的本质、影响因素

46、以及内在关系等进行深入分析之后，构建一个层次结构模型，然后利用较少的定量信息，把决策的思维过程数学化，从而为求解多目标，多准则或者无结构特性的复杂决策问题，提供一种简单的分析决策方法，它为分析相互关联、相互职位的众多因素构成的复杂问题提供了一种新的、简洁的、实用的决策方法。应用层次分析法分析问题时，首先应该构造一个层次结构模型，把问题层次化。然后根据问题的性质以及所要达到的总目标，将问题分解成不同的组成因素，并按照因素间的相互联系、影响以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型。并最终把评价系统分析结果归结为供决策的方案、措施等。在分析过程中，我们需要确定每个因素相对于

47、总目标的相对重要性的权值的确定或相对优劣次序的排序问题。在排序计算中，每一层次的因素相对上一层次某一因素的单排序问题可简化为以系列成对因素的判断比较。为了将比较判断，层次分析法将重要性程度定量化处理，引入了1-9标度法，并写成判断矩阵的形式。形成判断矩阵后，计算出判断矩阵的最大特征根及其相对应的特征向量，最大特征根用来计算判断矩阵的一致性，最大特征根对应的特征向量为某一层对于上一层次某一个元素的相对重要性权重。在计算出某一层次相对于上一层次各个因素的单排序权值后，某层因素相对于上一层次的相对重要性权值是用上一层次因素本身的权值加权综合计算出来的，这个权重值即层次总排序权值。层次分析法采取这样依

48、次由上而下的计算方法，从而可计算出最底层因素对于最高层的相对重要性权重值。4.2.2 模型和步骤 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 16 页 共 65 页应用层次分析法分析问题，首先要把问题调理化、层次化，构造出一个层次分析结构的模型。首先，我们把复杂问题分解成各个部分，也就元素，并按照元素的相互关系及其隶属关系形成不同的层次，同一层次的元素作为准则对下一层次的元素起支配作用，同时，它又受上一层次元素的支配。最高层次最有一个元素，它表示决策者所要达到的目标或者所要得到的评价综合指标；中间层次一般为准则、子准则、方案等。层次之间元素的支配关系不一定是完全的，即可以存在相互交叉支配或者不完

49、全支配，一个元素可以并不支配下一层次的所有元素。即除目标层外，每个元素可以受多个上一层元素支配，也可以支配多个下一层元素。层次数由问题的复杂程度和需要分析的详尽程度所决定。因为重要性标段为1-9，所以每一层次中的元素一般不超过9个，同一层次中包含数目过多的元素会给两两比较判断带来困难。一个问题，一般来说可以构成目标层，若干准则层和方案层的层次分析结构模型。4.2.3 构造判断矩阵建立层次分析模型之后，我们需要再各层元素中进行两两比较，确定其相对重要性标度，构造出比较判断矩阵。层次分析法主要是人们对每一层次各因素相对重要性给出的判断，这些判断通过引入适合的标度用数值表示出来，写成判断矩阵。判断矩

50、阵表示本层次与之有关因素之间相对重要性的比较。判断矩阵是层次分析法的基本信息，也是进行相对重要度计算的重要依据。假定上一层次的元素作为准则，对于下一层元素，有支配关系，KB1C2CnC我们的母的是要在准则下按它们的相对重要性赋予，相应的权重。在这KB1C2CnC一步中要回答的问题有：针对一个明确的判断准则，两个元素，哪个更重要，KBiCjC重要性的大小。需要对“重要性”赋予一定的数值。赋值的根据或者来源，可以由决策者直接提出，或是通过分析者通过某种技术咨询而获得，或是通过其他合适的途径来确定。一般地，判断矩阵应由熟悉问题的专家独立分析判断的给出。对于 个元素来说，我们得到两两比较判断矩阵。其中

51、表示因素nnnijCC)(ijC和因素相对于目标重要值。ij一般来说，构造的判断矩阵如下形式表表4-1 判断矩阵构造形式判断矩阵构造形式 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 17 页 共 65 页 C1 C2 CnKBC1 C11 C12 C1nC2 C21 C22 C2n Cn Cn1 Cn2 Cnn显然矩阵C具有如下性质：（1）Cij0 （2）Cij=1/Cji(ij)（3）Cij0(i,j=1,2,n)这类矩阵为正反矩阵。对于正反矩阵C，若对于任意i、j、k，均有CijCjk=Cik，此时称该矩阵为一致性矩阵。在实际问题求解，构造的判断矩阵并不一定具有一致性，常常需要进行一致性检验

52、。在层次分析法，为了使决策判断定量化，形成上述数值判断矩阵，常根据一定的比率标度将判断定量化。我们下面给出一种常用的1-9标度方法。如表所示。表表4-2 常用判断尺度及其对应含义常用判断尺度及其对应含义判断尺度含义1表示指标 Ii与指标 Ij相比较，同等重要3表示指标 Ii与指标 Ij相比较，前者比后者略微重要5表示指标 Ii与指标 Ij相比较，前者比后者明显重要7表示指标 Ii与指标 Ij相比较，前者比后者重要得多9表示指标 Ii与指标 Ij相比较，前者比后者绝对重要2,4,6,8介于相邻两个基本点判断尺度之间的情况4.2.4 判断矩阵的一致性检验在上述过程中我们建立起了判断矩阵，这让判断思

53、维数学化，这种数学化为我们判断思维的一致性提供了条件。判断思维一致性是指专家在判断指标重要性时，各判断之间的协调一致，不致出现相互矛盾的结果。在多阶判断的条件下出现不一致，容易发生，只不过在不同的条件下不一致的程度是有所差别的。 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 18 页 共 65 页我们用判断矩阵特征根的变化来检验判断的一致性程度。因此，在层次分析法中引入判断矩阵最大特征根引入判断矩阵最大特征根以外的其余特征根的负平均值，作为度量判断矩阵偏离一致性的指标，即用CI= ()/ （4-nmax1 n1）检查决策者判断思维的一致性。n为判断矩阵的阶数，为n阶矩阵的最大特征根。max显然，当

54、判断矩阵具有完全一致性时，=n，CI=0，反之亦然。当n2时，矩max阵 永远具有一致性；当n3时，引进判断一致性的指标记为RI，对于1-9阶矩阵，RI如表2所示。表表4-3 矩阵一致性指标矩阵一致性指标RI阶数123456789RI000.580.901.121.241.321.411.45随机一致性比率记为：CR=CI/RI，当CR0,且=1。它反映对诸因素的一种ia权衡。权数是表征因素相对重要性大小的度量值。所以，在评价问题中，权数的确定极其重要。本课题车用汽油机整机性能评价系统中通过用层次分析法来确定各指标的权重。4.3.2.3 模糊合成设层次分析法所获得的权重向量A=（a1,a2,a

55、m）；为反映各个单因素所对应的R各个等级模糊子集的隶属度的评价矩阵。引入V上的一个模糊子集，称为模糊评价，B。)b,（n21bbB (4-10)RAB表示被评价对象具有评价等级的程度。是对每个评判对象综合状况分等级jbjvB的程度描述，不能直接用于被评判对象间的排序评优，需要进一步的分析处理，分析处理之后才能使用，通常我们可以采用最大隶属度法则对其处理，得到最终评判结果。为了充分利用的信息，我们可以把各种等级的评级参数和评价结果进行综合考虑，BB评价参数是指每个级别所赋予的分值。 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 22 页 共 65 页设相对于各等级规定的参数列向量jv （4-Tn21

56、)c,(ccC11）等级参数评判结果 （4-CBp12）是一个实数。它反映了由模糊子集和参数向量所确定的综合评分，在实际pBC应用中，它是十分有用的综合参数。 5 车用汽油机整机性能评价系统设计通常衡量汽油机性能都以其动力性、经济性、排放、噪声和比质量等性能作为主要的评价指标。但在实际中，考虑到评估的实用性和可行性，一般只选取几个能代表其主要性能的指标作为模糊评估子集13。本文选用车用汽油机的最大功率、最大扭矩、燃油消耗率、升功率、比质量和环保标准6个参数建立汽油机评价体系，确定评价指标。根据评价方案，开发一个具有实用性的车用汽油机整机性能评价系统。5.1 评价指标的确定车用汽油机的性能指标有

57、很多，本课题选取了六个主要性能指标作为评价对象，这个六个评价指标分别是：动力性、经济性、强化指标、紧凑型指标和环保标准。动 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 23 页 共 65 页力性指标是表征发动机做功能力大小的指标，包括有效转矩、有效功率、发动机转速、平均有效压力，汽车发动机一般选用最大功率和最大转矩作为衡量发动机动力性的指标，因此在对动力性的评价中，本课题选取了最大功率和最大扭矩两个二级评价指标来作为参量；发动机经济性指标包括有效热功率和有效燃油消耗率，有效热效率最终会影响有效燃油消耗率，所以在本课题经济性的评价中，我们通过计算汽油机机的有效燃油消耗率来评价发动机的经济性；强化指

58、标是指发动机承受负荷和机械负荷能力的评价指标，一般包括升功率和强化程度，本课题考虑到大众所能获得的数据，选用了升功率作为强化指标评价参数；紧凑性指标是用来表征发动机总体结构紧凑程度的指标，通常用比容积和比质量衡量，本课题选用了比质量来评价车用汽油机的紧凑性14。汽车环保标准是为提高空气质量所设置的汽车尾气排放指标。本课题中选用最大功率、最大扭矩、升功率、燃油消耗率、比质量和环保标准6个参数进行分析。5.2 对指标的处理由于发动机的一些数据只有在发动机厂家才能查找到，那么如果没有一些参数怎么办？最大功率和最大扭矩和排放标准一般都能查找到，在这里就不毋庸赘言了，这里给出一些标准指标的计算方法： (

59、1) 升功率（）：最大功率和发动机排量的比重，单位kw/h。LP (5-1)VPPeL 表示所测发动机的额定功率，也就是最大功率；ePV 表示所测试的发动机的气缸总容积，也就是排量。 (2) 比质量（）:发动机的干质量与其标定功率的比值K (5-2)ePMK为发动机总成净质量，单位为kg；M 表示所测发动机的额定功率，也就是最大功率。eP 车用汽油机的整机性能评价系统的开发设计第 24 页 共 65 页 (3) 有效燃油消耗率be，单位为 g/（kWh）。 (5-3)310eePBb式中：B发动机在单位时间内的耗油量，kg/h； Pe发动机的有效功率，kW。由于B也一般很难获得，一般能获得的是

60、汽车的市郊百公里油耗，所以我们通过市郊百公里油耗反推出近似的有效燃油消耗率。 = （5-sQgUbPaee02.14）+ （5-fGF215.21aDUAC5） (5-6)TaeUFP3600计算得 （5-215.213600*02.1aDSTeUACfGQpgb7）表示等速百公里中的速度，选取市郊油耗时，应该选取 =90km/h ；aUaU取=0.012 （良好沥青路面）；现代轿车平均风阻系数 为0.3 ；fDCA表示汽车的迎风面积，不同的迎风面积不一样，如果不知道具体值采用现代轿车平均值1.8-2.0m2；可取为 6.96-7.15N/l；对于有级机械变速器的轿车取 0.90-pgT0.9