于卓弘

(上海汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司商用車(chē)技術(shù)中心,上海 200438)

0 前言

六西格瑪設(shè)計(jì)是以客戶(hù)需求為導(dǎo)向、數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),致力于系統(tǒng)穩(wěn)健性與性能優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法。它出現(xiàn)于20世紀(jì)90年代,最早使用于電子行業(yè)并逐漸在汽車(chē)行業(yè)得到應(yīng)用。通用汽車(chē)、福特汽車(chē)、大眾汽車(chē)、德?tīng)柛５戎?chē)廠(chǎng)及零部件企業(yè)均大力推廣并將此設(shè)計(jì)方法整合至整車(chē)及零部件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中[1]。

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展及客戶(hù)對(duì)汽車(chē)性能要求的不斷提升,動(dòng)力總成冷卻性能的重要性越來(lái)越高。由于理論熱效率的限制,內(nèi)燃機(jī)的液體燃料在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的熱量無(wú)法全部轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,故需要冷卻系統(tǒng)保證發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境穩(wěn)定。如何結(jié)合整車(chē)架構(gòu)布置進(jìn)行合理的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì),是整車(chē)熱管理開(kāi)發(fā)中的一大難點(diǎn)。

本文基于某皮卡改型項(xiàng)目的開(kāi)發(fā),該車(chē)型使用VM 2.8 T發(fā)動(dòng)機(jī)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(chǔ)車(chē)型,本項(xiàng)目將結(jié)合冷卻系統(tǒng)開(kāi)發(fā)要求,采用六西格瑪設(shè)計(jì)的方法,針對(duì)格柵有效開(kāi)口面積、導(dǎo)流板角度、風(fēng)扇尺寸進(jìn)行優(yōu)化,最后驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案。

1 冷卻性能設(shè)計(jì)的基本原理

冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)需達(dá)到的目標(biāo)主要包括：保證發(fā)動(dòng)機(jī)在惡劣工況下發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度不超過(guò)硬件設(shè)計(jì)邊界;滿(mǎn)足整車(chē)架構(gòu)提出的布置邊界;保證系統(tǒng)的可靠性;滿(mǎn)足系統(tǒng)空氣側(cè)、冷卻液側(cè)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(biāo)。

1.1 冷卻系統(tǒng)熱平衡

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡的理論計(jì)算,可以深入了解奧托循環(huán)中,能量轉(zhuǎn)化與分配的過(guò)程。發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡關(guān)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(fā)動(dòng)機(jī)有效功率;Qo為機(jī)油帶走的熱量;Qch為空燃比低于化學(xué)當(dāng)量空燃比帶來(lái)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(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體對(duì)外熱輻射、熱對(duì)流等方式散失的熱量,以及壓縮機(jī)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(shù)模,如圖1所示。

圖1 冷卻系統(tǒng)仿真模型示意圖

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡試驗(yàn)是冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),通過(guò)將散熱器、暖風(fēng)芯體、冷卻管路等附件與臺(tái)架發(fā)動(dòng)機(jī)相連接,保持冷卻系統(tǒng)各附件與整車(chē)一致[2],圖2為冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)傳感器布置示意圖。測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)在不同負(fù)荷下,各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)(表1),最后計(jì)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(guò)整車(chē)設(shè)計(jì)工況下的轉(zhuǎn)速、扭矩?cái)?shù)據(jù),對(duì)比臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果便可得到該工況下發(fā)動(dòng)機(jī)準(zhǔn)確的散熱量,該散熱量即冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的目標(biāo)值。

圖2 冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)傳感器布置示意圖

表1 各傳感器詳釋及量程

以轉(zhuǎn)速3 000 r/min為例,通過(guò)調(diào)節(jié)測(cè)功機(jī),分別測(cè)量不同負(fù)荷下VM 2.8T發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱需求。每間隔轉(zhuǎn)速200 r/min為1組數(shù)據(jù),最終獲得不同負(fù)荷下的散熱量與功率比值(表2)。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行冪函數(shù)處理,最終便可得到發(fā)動(dòng)機(jī)的熱耗散特性曲線(xiàn)(圖3)。

圖3 不同負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)熱耗散曲線(xiàn)

2 冷卻性能設(shè)計(jì)的基本原理

傳統(tǒng)的冷卻性能優(yōu)化方案大多基于工程師對(duì)試驗(yàn)樣本的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,但對(duì)于系統(tǒng)級(jí)別的問(wèn)題,優(yōu)化方案往往包括多個(gè)控制因子,缺少因子影響結(jié)果。同時(shí)由于個(gè)人能力及經(jīng)驗(yàn)的不同,往往無(wú)法形成有效的問(wèn)題解決模式。使用六西格瑪設(shè)計(jì)方法,則可對(duì)問(wèn)題進(jìn)行科學(xué)的、模式化的分析,將問(wèn)題剖析得更加徹底,為后續(xù)項(xiàng)目的開(kāi)展提供更直接有效的參考依據(jù)。

根據(jù)問(wèn)題樣本,本文采用改進(jìn)流程(IDOV)模式進(jìn)行分析,即確認(rèn)機(jī)會(huì)、定義要求、優(yōu)化設(shè)計(jì)、試驗(yàn)確認(rèn)。

2.1 確認(rèn)機(jī)會(huì)

如圖4所示,前端配置包括格柵開(kāi)孔、導(dǎo)流板、中冷器、冷凝器、散熱器及風(fēng)扇總成。對(duì)于整車(chē)性能而言,前端配置的好壞能夠影響到動(dòng)力總成冷卻性能,選擇最優(yōu)的前端配置,可以滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)在極限工況下的冷卻要求,保證車(chē)輛動(dòng)力性。言,前端配置的好壞能夠影響到動(dòng)力總成冷卻性能,選擇最優(yōu)的前端配置,可以滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)在極限工況下的冷卻要求,保證車(chē)輛動(dòng)力性。

表2 3 000 r/min下不同負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱量

圖4 前端模塊示意圖

本項(xiàng)目依據(jù)某皮卡項(xiàng)目平臺(tái),通過(guò)對(duì)不同前端配置進(jìn)行仿真計(jì)算,選擇出在惡劣工況下,滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻要求且性能最優(yōu)的配置方案。

由于本項(xiàng)目為改型項(xiàng)目,為追求低成本開(kāi)發(fā),散熱器及安裝支架等零件均沿用基礎(chǔ)車(chē)型,節(jié)省開(kāi)模等一次性費(fèi)用。本項(xiàng)目主要針對(duì)格柵開(kāi)口形狀、導(dǎo)流板角度、風(fēng)扇扇葉尺寸進(jìn)行匹配,暫不考慮散熱芯體等因素,如圖5所示。

本項(xiàng)目依據(jù)某皮卡項(xiàng)目平臺(tái),通過(guò)對(duì)不同前端配置進(jìn)行仿真計(jì)算,選擇出在惡劣工況下,滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻要求且性能最優(yōu)的配置方案。

由于本項(xiàng)目為改型項(xiàng)目,為追求低成本開(kāi)發(fā),散熱器及安裝支架等零件均沿用基礎(chǔ)車(chē)型,節(jié)省開(kāi)模等一次性費(fèi)用。本項(xiàng)目主要針對(duì)格柵開(kāi)口形狀、導(dǎo)流板角度、風(fēng)扇扇葉尺寸進(jìn)行匹配,暫不考慮散熱芯體等因素,如圖5所示。

本項(xiàng)目依據(jù)某皮卡項(xiàng)目平臺(tái),通過(guò)對(duì)不同前端配置進(jìn)行仿真計(jì)算,選擇出在惡劣工況下,滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻要求且性能最優(yōu)的配置方案。

由于本項(xiàng)目為改型項(xiàng)目,為追求低成本開(kāi)發(fā),散熱器及安裝支架等零件均沿用基礎(chǔ)車(chē)型,節(jié)省開(kāi)模等一次性費(fèi)用。本項(xiàng)目主要針對(duì)格柵開(kāi)口形狀、導(dǎo)流板角度、風(fēng)扇扇葉尺寸進(jìn)行匹配,暫不考慮散熱芯體等因素,如圖5所示。

圖5 優(yōu)化設(shè)計(jì)范圍

2.2 定義要求

通過(guò)整車(chē)考核工況下的車(chē)速、整車(chē)質(zhì)量及坡度結(jié)合變速箱速比,可計(jì)算出考核工況下的轉(zhuǎn)速及扭矩需求[3]。表3為結(jié)合不同負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)熱耗散曲線(xiàn)及流量分布曲線(xiàn),最終確定的散熱量及冷卻液流量。

通過(guò)整車(chē)考核工況下的車(chē)速、整車(chē)質(zhì)量及坡度結(jié)合變速箱速比,可計(jì)算出考核工況下的轉(zhuǎn)速及扭矩需求[3]。表3為結(jié)合不同負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)熱耗散曲線(xiàn)及流量分布曲線(xiàn),最終確定的散熱量及冷卻液流量。

以發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度110℃為目標(biāo),在Flowmaster模型中,可推算最低進(jìn)風(fēng)量為46.8 m3/min,故本次優(yōu)化目標(biāo)為散熱器進(jìn)氣量大于46.8 m3/min,見(jiàn)圖6。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度與散熱器進(jìn)風(fēng)量關(guān)系

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目范圍,本次優(yōu)化控制因子包括格柵有效開(kāi)口面積、導(dǎo)流板角度、風(fēng)扇扇葉尺寸[4]。該方案為非動(dòng)態(tài)響應(yīng),不考慮噪聲影響,優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)圖如圖7所示。

根據(jù)參數(shù)圖及零件單體的可更改范圍確認(rèn)控制因子及水平[4],由表4可知,優(yōu)化方案為3個(gè)水平的3個(gè)因子,應(yīng)使用L9(33)正交列表進(jìn)行正交試驗(yàn),簡(jiǎn)化試驗(yàn)次數(shù),如表5所列。

根據(jù)參數(shù)圖及零件單體的可更改范圍確認(rèn)控制因子及水平[4],由表4可知,優(yōu)化方案為3個(gè)水平的3個(gè)因子,應(yīng)使用L9(33)正交列表進(jìn)行正交試驗(yàn),簡(jiǎn)化試驗(yàn)次數(shù),如表5所列。

表4 控制因子與水平

通過(guò)L9(33)正交列表試驗(yàn)確定試驗(yàn)方案,使原本27次試驗(yàn)簡(jiǎn)化為9次試驗(yàn),該方法可有效縮短試驗(yàn)次數(shù),減少優(yōu)化時(shí)間。對(duì)該9個(gè)方案繪制網(wǎng)格文件,在Fluent軟件中進(jìn)行進(jìn)氣量仿真計(jì)算,如圖9所示。最終9個(gè)方案進(jìn)氣量結(jié)果匯總于表6中,得到9次響應(yīng)數(shù)據(jù),接下來(lái)便對(duì)9次響應(yīng)進(jìn)行分析。

通過(guò)L9(33)正交列表試驗(yàn)確定試驗(yàn)方案,使原本27次試驗(yàn)簡(jiǎn)化為9次試驗(yàn),該方法可有效縮短試驗(yàn)次數(shù),減少優(yōu)化時(shí)間。對(duì)該9個(gè)方案繪制網(wǎng)格文件,在Fluent軟件中進(jìn)行進(jìn)氣量仿真計(jì)算,如圖9所示。最終9個(gè)方案進(jìn)氣量結(jié)果匯總于表6中,得到9次響應(yīng)數(shù)據(jù),接下來(lái)便對(duì)9次響應(yīng)進(jìn)行分析。

通過(guò)L9(33)正交列表試驗(yàn)確定試驗(yàn)方案,使原本27次試驗(yàn)簡(jiǎn)化為9次試驗(yàn),該方法可有效縮短試驗(yàn)次數(shù),減少優(yōu)化時(shí)間。對(duì)該9個(gè)方案繪制網(wǎng)格文件,在Fluent軟件中進(jìn)行進(jìn)氣量仿真計(jì)算,如圖8所示。最終9個(gè)方案進(jìn)氣量結(jié)果匯總于表6中,得到9次響應(yīng)數(shù)據(jù),接下來(lái)便對(duì)9次響應(yīng)進(jìn)行分析。

表5 L9(33)正交列表試驗(yàn)方案

圖8 Fluent仿真流場(chǎng)示意圖

表6 正交試驗(yàn)仿真結(jié)果

圖9為各控制因子水平對(duì)響應(yīng)結(jié)果的影響分析,由因子水平與響應(yīng)值圖表可得出如下結(jié)論：

(1)格柵開(kāi)孔和風(fēng)扇直徑2個(gè)控制因子對(duì)于響應(yīng)(散熱器進(jìn)氣量)為重要因子;

(2)導(dǎo)流板角度對(duì)散熱器進(jìn)氣量影響不顯著;

(3)A3B1C3因子組合對(duì)提示散熱系統(tǒng)進(jìn)氣量而言較為有利。

圖9 因子水平響應(yīng)均值分布

由于選定方案A3B1C3因子組合為L(zhǎng)9(33)正交列表試驗(yàn)方案7,故該方案散熱器進(jìn)氣量為57.7m3/mm的仿真結(jié)果無(wú)須重新計(jì)算。將此進(jìn)氣量作為邊界條件輸入Flowmaster模型中,仿真計(jì)算該優(yōu)化方案發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為105℃,整理相關(guān)數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 仿真發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度

3 整車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證

在仿真優(yōu)化完成后,制作對(duì)應(yīng)方案試驗(yàn)樣件,于整車(chē)環(huán)境艙根據(jù)CVTC31022整車(chē)熱管理環(huán)境艙試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)車(chē)驗(yàn)證,如圖11所示。并將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,數(shù)據(jù)整理于表8中。

通過(guò)整車(chē)環(huán)境艙試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,在車(chē)速90km/h,負(fù)荷7.2%工況下,發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度102℃,低于目標(biāo)值110℃,設(shè)計(jì)目標(biāo)達(dá)成。數(shù)據(jù)結(jié)果與計(jì)算流體力學(xué)(CFD)仿真分析結(jié)果基本吻合,誤差在2.9%,同時(shí)證明了CFD計(jì)算分析的準(zhǔn)確性。

表8 優(yōu)化方案仿真發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度

4 總結(jié)

本課題將六西格瑪設(shè)計(jì)方法引入動(dòng)力總成冷卻開(kāi)發(fā)流程,運(yùn)用試驗(yàn)、仿真的手段相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證。通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)格柵形狀、導(dǎo)流板角度及風(fēng)扇直徑進(jìn)行了響應(yīng)分析,明確各控制因子對(duì)響應(yīng)影響的顯著性,最終確認(rèn)優(yōu)化方案,得到了預(yù)期的效果。

(1)通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)熱耗散試驗(yàn),可確認(rèn)冷卻系統(tǒng)流量分配及不同負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱量,該數(shù)據(jù)是前期開(kāi)發(fā)的重要依據(jù)。

(2)應(yīng)用格柵有效開(kāi)口面積24.8%、導(dǎo)流板角度-15°、風(fēng)扇直徑480 mm的優(yōu)化方案,最終實(shí)車(chē)驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度102℃,低于目標(biāo)值110℃,設(shè)計(jì)目標(biāo)達(dá)成。

(3)仿真分析與實(shí)車(chē)驗(yàn)證誤差2.9%,該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法滿(mǎn)足工程應(yīng)用要求。

(4)格柵有效開(kāi)口面積與風(fēng)扇直徑對(duì)提高散熱器進(jìn)風(fēng)量,降低發(fā)動(dòng)機(jī)水溫有顯著影響。

(5)引入六西格瑪設(shè)計(jì)方法,可針對(duì)后續(xù)項(xiàng)目進(jìn)行不同控制因子的驗(yàn)證,為后續(xù)項(xiàng)目積累了經(jīng)驗(yàn)。