六西格瑪在動力總成冷卻系統開發中的應用研究

于卓弘

(上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心,上海 200438)

0 前言

六西格瑪設計是以客戶需求為導向、數據為基礎,致力于系統穩健性與性能優化的設計方法。它出現于20世紀90年代,最早使用于電子行業并逐漸在汽車行業得到應用。通用汽車、福特汽車、大眾汽車、德爾福等知名整車廠及零部件企業均大力推廣并將此設計方法整合至整車及零部件設計開發中[1]。

隨著汽車工業的發展及客戶對汽車性能要求的不斷提升,動力總成冷卻性能的重要性越來越高。由于理論熱效率的限制,內燃機的液體燃料在燃燒過程中產生的熱量無法全部轉換為機械能,故需要冷卻系統保證發動機的工作環境穩定。如何結合整車架構布置進行合理的冷卻系統設計,是整車熱管理開發中的一大難點。

本文基于某皮卡改型項目的開發,該車型使用VM 2.8 T發動機與邦奇6檔手自一體變速箱(AT),由于變速箱采用外置油冷器且散熱器與中冷器沿用基礎車型,本項目將結合冷卻系統開發要求,采用六西格瑪設計的方法,針對格柵有效開口面積、導流板角度、風扇尺寸進行優化,最后驗證設計方案。

1 冷卻性能設計的基本原理

冷卻系統設計需達到的目標主要包括：保證發動機在惡劣工況下發動機出水溫度不超過硬件設計邊界;滿足整車架構提出的布置邊界;保證系統的可靠性;滿足系統空氣側、冷卻液側阻力要求等。其中,考核工況下散熱器的散熱量是最重要的性能指標。

1.1 冷卻系統熱平衡

通過對發動機熱平衡的理論計算,可以深入了解奧托循環中,能量轉化與分配的過程。發動機熱平衡關系式為

式中,Qf為燃料燃燒釋放的總熱量;Qc為冷卻液帶走的熱量;Qe為發動機有效功率;Qo為機油帶走的熱量;Qch為空燃比低于化學當量空燃比帶來的不完全燃燒熱損失熱量;Qex為排氣帶走的熱量;Qoth為其他熱損失,如發動機機體對外熱輻射、熱對流等方式散失的熱量,以及壓縮機水泵附件消耗的能量和摩擦損失等。并依照此原理使用Flowmaster搭建一維仿真數模,如圖1所示。

圖1 冷卻系統仿真模型示意圖

1.2 發動機熱平衡試驗

發動機熱平衡試驗是冷卻系統設計的基礎,通過將散熱器、暖風芯體、冷卻管路等附件與臺架發動機相連接,保持冷卻系統各附件與整車一致[2],圖2為冷卻系統試驗傳感器布置示意圖。測量發動機在不同負荷下,各個傳感器數據(表1),最后計算冷卻液流量分布及熱平衡下冷卻液帶走的能量大小。通過整車設計工況下的轉速、扭矩數據,對比臺架試驗結果便可得到該工況下發動機準確的散熱量,該散熱量即冷卻系統設計開發的目標值。

圖2 冷卻系統試驗傳感器布置示意圖

表1 各傳感器詳釋及量程

以轉速3 000 r/min為例,通過調節測功機,分別測量不同負荷下VM 2.8T發動機的散熱需求。每間隔轉速200 r/min為1組數據,最終獲得不同負荷下的散熱量與功率比值(表2)。對數據進行冪函數處理,最終便可得到發動機的熱耗散特性曲線(圖3)。

圖3 不同負荷下發動機熱耗散曲線

2 冷卻性能設計的基本原理

傳統的冷卻性能優化方案大多基于工程師對試驗樣本的試驗數據分析,但對于系統級別的問題,優化方案往往包括多個控制因子,缺少因子影響結果。同時由于個人能力及經驗的不同,往往無法形成有效的問題解決模式。使用六西格瑪設計方法,則可對問題進行科學的、模式化的分析,將問題剖析得更加徹底,為后續項目的開展提供更直接有效的參考依據。

根據問題樣本,本文采用改進流程(IDOV)模式進行分析,即確認機會、定義要求、優化設計、試驗確認。

2.1 確認機會

如圖4所示,前端配置包括格柵開孔、導流板、中冷器、冷凝器、散熱器及風扇總成。對于整車性能而言,前端配置的好壞能夠影響到動力總成冷卻性能,選擇最優的前端配置,可以滿足發動機在極限工況下的冷卻要求,保證車輛動力性。言,前端配置的好壞能夠影響到動力總成冷卻性能,選擇最優的前端配置,可以滿足發動機在極限工況下的冷卻要求,保證車輛動力性。

表2 3 000 r/min下不同負荷發動機的散熱量

圖4 前端模塊示意圖

本項目依據某皮卡項目平臺,通過對不同前端配置進行仿真計算,選擇出在惡劣工況下,滿足發動機冷卻要求且性能最優的配置方案。

由于本項目為改型項目,為追求低成本開發,散熱器及安裝支架等零件均沿用基礎車型,節省開模等一次性費用。本項目主要針對格柵開口形狀、導流板角度、風扇扇葉尺寸進行匹配,暫不考慮散熱芯體等因素,如圖5所示。

本項目依據某皮卡項目平臺,通過對不同前端配置進行仿真計算,選擇出在惡劣工況下,滿足發動機冷卻要求且性能最優的配置方案。

由于本項目為改型項目,為追求低成本開發,散熱器及安裝支架等零件均沿用基礎車型,節省開模等一次性費用。本項目主要針對格柵開口形狀、導流板角度、風扇扇葉尺寸進行匹配,暫不考慮散熱芯體等因素,如圖5所示。

本項目依據某皮卡項目平臺,通過對不同前端配置進行仿真計算,選擇出在惡劣工況下,滿足發動機冷卻要求且性能最優的配置方案。

由于本項目為改型項目,為追求低成本開發,散熱器及安裝支架等零件均沿用基礎車型,節省開模等一次性費用。本項目主要針對格柵開口形狀、導流板角度、風扇扇葉尺寸進行匹配,暫不考慮散熱芯體等因素,如圖5所示。

圖5 優化設計范圍

2.2 定義要求

通過整車考核工況下的車速、整車質量及坡度結合變速箱速比,可計算出考核工況下的轉速及扭矩需求[3]。表3為結合不同負荷下發動機熱耗散曲線及流量分布曲線,最終確定的散熱量及冷卻液流量。

通過整車考核工況下的車速、整車質量及坡度結合變速箱速比,可計算出考核工況下的轉速及扭矩需求[3]。表3為結合不同負荷下發動機熱耗散曲線及流量分布曲線,最終確定的散熱量及冷卻液流量。

以發動機出水溫度110℃為目標,在Flowmaster模型中,可推算最低進風量為46.8 m3/min,故本次優化目標為散熱器進氣量大于46.8 m3/min,見圖6。

圖6 發動機出水溫度與散熱器進風量關系

2.3 優化設計

根據項目范圍,本次優化控制因子包括格柵有效開口面積、導流板角度、風扇扇葉尺寸[4]。該方案為非動態響應,不考慮噪聲影響,優化設計參數圖如圖7所示。

根據參數圖及零件單體的可更改范圍確認控制因子及水平[4],由表4可知,優化方案為3個水平的3個因子,應使用L9(33)正交列表進行正交試驗,簡化試驗次數,如表5所列。

根據參數圖及零件單體的可更改范圍確認控制因子及水平[4],由表4可知,優化方案為3個水平的3個因子,應使用L9(33)正交列表進行正交試驗,簡化試驗次數,如表5所列。

表4 控制因子與水平

通過L9(33)正交列表試驗確定試驗方案,使原本27次試驗簡化為9次試驗,該方法可有效縮短試驗次數,減少優化時間。對該9個方案繪制網格文件,在Fluent軟件中進行進氣量仿真計算,如圖9所示。最終9個方案進氣量結果匯總于表6中,得到9次響應數據,接下來便對9次響應進行分析。

通過L9(33)正交列表試驗確定試驗方案,使原本27次試驗簡化為9次試驗,該方法可有效縮短試驗次數,減少優化時間。對該9個方案繪制網格文件,在Fluent軟件中進行進氣量仿真計算,如圖9所示。最終9個方案進氣量結果匯總于表6中,得到9次響應數據,接下來便對9次響應進行分析。

通過L9(33)正交列表試驗確定試驗方案,使原本27次試驗簡化為9次試驗,該方法可有效縮短試驗次數,減少優化時間。對該9個方案繪制網格文件,在Fluent軟件中進行進氣量仿真計算,如圖8所示。最終9個方案進氣量結果匯總于表6中,得到9次響應數據,接下來便對9次響應進行分析。

表5 L9(33)正交列表試驗方案

圖8 Fluent仿真流場示意圖

表6 正交試驗仿真結果

圖9為各控制因子水平對響應結果的影響分析,由因子水平與響應值圖表可得出如下結論：

(1)格柵開孔和風扇直徑2個控制因子對于響應(散熱器進氣量)為重要因子;

(2)導流板角度對散熱器進氣量影響不顯著;

(3)A3B1C3因子組合對提示散熱系統進氣量而言較為有利。

圖9 因子水平響應均值分布

由于選定方案A3B1C3因子組合為L9(33)正交列表試驗方案7,故該方案散熱器進氣量為57.7m3/mm的仿真結果無須重新計算。將此進氣量作為邊界條件輸入Flowmaster模型中,仿真計算該優化方案發動機出水溫度為105℃,整理相關數據如表7所示。

表7 仿真發動機出水溫度

3 整車試驗驗證

在仿真優化完成后,制作對應方案試驗樣件,于整車環境艙根據CVTC31022整車熱管理環境艙試驗標準進行實車驗證,如圖11所示。并將試驗結果與仿真結果進行對比,數據整理于表8中。

通過整車環境艙試驗數據可知,在車速90km/h,負荷7.2%工況下,發動機出水溫度102℃,低于目標值110℃,設計目標達成。數據結果與計算流體力學(CFD)仿真分析結果基本吻合,誤差在2.9%,同時證明了CFD計算分析的準確性。

表8 優化方案仿真發動機出水溫度

4 總結

本課題將六西格瑪設計方法引入動力總成冷卻開發流程,運用試驗、仿真的手段相互補充、相互驗證。通過正交試驗對格柵形狀、導流板角度及風扇直徑進行了響應分析,明確各控制因子對響應影響的顯著性,最終確認優化方案,得到了預期的效果。

(1)通過發動機熱耗散試驗,可確認冷卻系統流量分配及不同負荷下發動機的散熱量,該數據是前期開發的重要依據。

(2)應用格柵有效開口面積24.8%、導流板角度-15°、風扇直徑480 mm的優化方案,最終實車驗證發動機出水溫度102℃,低于目標值110℃,設計目標達成。

(3)仿真分析與實車驗證誤差2.9%,該優化設計方法滿足工程應用要求。

(4)格柵有效開口面積與風扇直徑對提高散熱器進風量,降低發動機水溫有顯著影響。

(5)引入六西格瑪設計方法,可針對后續項目進行不同控制因子的驗證,為后續項目積累了經驗。