發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)性能敏感性分析

馮燕燕，李義林，王麗華

（重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，重慶 400023）

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)性能敏感性分析

馮燕燕，李義林，王麗華

Feng Yanyan，Li Yilin，Wang Lihua

（重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，重慶 400023）

研究對(duì)比了采用名義最大溫度和3σ（標(biāo)準(zhǔn)差）最大溫度2種方法設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)性能水平的不同。研究基于誤差仿真分析工具和冷卻系統(tǒng)一維仿真模型，模擬得到不同輸入?yún)?shù)集組合產(chǎn)生的溫度分布。分析了2種設(shè)計(jì)方法得到的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)在性能、質(zhì)量以及燃油經(jīng)濟(jì)性方面的不同。

敏感性；仿真；發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻

0 引 言

發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)通常采用名義性能指標(biāo)設(shè)計(jì)法。冷卻系統(tǒng)性能的驗(yàn)證通常是使用 1輛車進(jìn)行環(huán)境艙試驗(yàn)或者實(shí)際道路試驗(yàn)來進(jìn)行。對(duì)多臺(tái)同樣設(shè)計(jì)的車輛進(jìn)行試驗(yàn)，能得到散熱器冷卻溫度的分布，該溫度分布的范圍大小取決于冷卻系統(tǒng)和整車部件的性能參數(shù)分別所處的偏差位置[1]。

研究基于蒙特卡羅變異分析方法，確認(rèn)了在設(shè)計(jì)變量隨機(jī)組合條件下散熱器溫度誤差的總體大小，并進(jìn)一步明確了影響散熱器冷卻溫度的關(guān)鍵零部件。

研究的基本方法是建立典型的整車試驗(yàn)工況，確定冷卻系統(tǒng)屬性內(nèi)容和名義工作參數(shù)，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)為每一個(gè)部件的相關(guān)參數(shù)指定相應(yīng)的合理方差，對(duì)整車參數(shù)的各種隨機(jī)組合執(zhí)行仿真模擬計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)的散熱器入口冷卻液溫度屬性。

1 整車測(cè)試工況

整車工況參數(shù)采用典型的爬坡試驗(yàn)工況。文中研究的典型部件性能特征假定如表1所示。

表1 整車試驗(yàn)工況假定值

2 仿真模型參數(shù)方差的定義

仿真模型的參數(shù)主要分為整車級(jí)參數(shù)和冷卻模塊級(jí)參數(shù)[2]，共9個(gè)參數(shù)。

2.1 整車級(jí)參數(shù)的方差分析

1）冷卻液流量

該參數(shù)與水泵轉(zhuǎn)速有關(guān)，水泵轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為固定值。因而冷卻液的波動(dòng)主要受水泵葉片形狀及其與水泵殼體的間隙影響，以及冷卻液流道中空間和壓力波動(dòng)的影響。

其3σ百分比假定為1.2%。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)向冷卻模塊釋放的熱量

在不考慮熱量傳播誤差的前提下，該參數(shù)主要受發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料混合燃燒等內(nèi)在因素，以及機(jī)械效率等因素的影響。

其3σ百分比假定為2.0%。

3）整車前端進(jìn)氣量

前端進(jìn)氣量主要受前端外形結(jié)構(gòu)、冷卻系統(tǒng)氣流路徑的壓阻特性以及環(huán)境因素等的影響。

其3σ百分比假定為2.8%。

4）冷凝器散熱量

該參數(shù)主要受空調(diào)系統(tǒng)的影響，誤差為蒸發(fā)性能、空氣流量、濕度和壓縮效率等因素的函數(shù)?？照{(diào)系統(tǒng)本身的特性一定程度上限制了該參數(shù)的方差。

其3σ百分比假定為1.0%。

5）風(fēng)扇電機(jī)電壓

風(fēng)扇電壓主要受系統(tǒng)電負(fù)載、電池充電狀態(tài)、發(fā)電機(jī)性能等因素的影響。

其3σ百分比假定為1.5%。

2.2 冷卻模塊級(jí)參數(shù)的方差分析

1）冷凝器

空氣側(cè)的壓降是導(dǎo)致冷凝器對(duì)散熱器冷卻液溫度有影響的主要因素。

冷凝器空氣側(cè)壓降的3σ百分比假定為3.0%。

2）散熱器空氣側(cè)壓降

散熱器空氣側(cè)壓降的影響類似于冷凝器，其3σ百分比假定為3.0%。

3）散熱器液側(cè)的傳熱性能

散熱器液側(cè)的傳熱性能受空氣側(cè)壓降的影響，也會(huì)有一定的誤差，其3σ百分比假定為1.5%。

4）風(fēng)扇流量-壓力性能

研究表明風(fēng)扇的流量波動(dòng)主要受電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)的影響。風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的3σ百分比假定為5.0%。

3 結(jié)果分析

基于以上試驗(yàn)參數(shù)的方差假定，對(duì) 516個(gè)不同的隨機(jī)組合進(jìn)行仿真計(jì)算，從計(jì)算數(shù)據(jù)中可以整理得到各誤差影響因子的顯著性排序，如圖 1所示。

仿真結(jié)果得到了以上因子共同作用下的散熱器冷卻液溫度分布，如圖 2所示。名義最大溫度為118℃，而3σ設(shè)計(jì)法最大溫度為120.9℃。

從名義最大溫度的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換到3σ最大溫度的設(shè)計(jì)上，可考慮的改進(jìn)有：

1）提高前端進(jìn)氣率6.9%；

2）提高風(fēng)扇功率32%；

3）增加4.4%換熱面積；

4）使用更深的散熱核心。

然而，所有這些選擇都會(huì)帶來顯著的負(fù)面后果，影響了成本、質(zhì)量、噪音、功耗、安裝和燃油經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié) 論

即使在相同的冷卻性能試驗(yàn)條件下，任何給定設(shè)計(jì)的隨機(jī)參數(shù)群體都將導(dǎo)致散熱器冷卻液溫度呈現(xiàn)出一定范圍的分布規(guī)律。文中分析了導(dǎo)致這類差異的原因并得到了各影響因子的貢獻(xiàn)大小。進(jìn)一步確定了從名義最大溫度的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換到 3σ最大溫度的設(shè)計(jì)方法并不能顯著地提高發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的性能，反而帶來了明顯的負(fù)面后果。這主要是由于3σ設(shè)計(jì)沒有考慮實(shí)際使用中的安全系數(shù)。

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3 結(jié) 論

Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱功能比較強(qiáng)大，具有豐富的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)訓(xùn)練和仿真的函數(shù)，根據(jù)需要，用戶可以調(diào)用相關(guān)的函數(shù)，從而使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與仿真更加方便有效。利用 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以快速、準(zhǔn)確地診斷出故障。因此，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以運(yùn)用于診斷工程領(lǐng)域，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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收稿日期：2014?08?07

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收稿日期：2014?09?11

U464.138

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.01.009

1002-4581（2015）01-0028-03

2014?08?29