基于六西格玛的发动机性能一致性控制.pdf

第 卷 第 期 年 月内燃机与动力装置 .收稿日期:第一作者简介:贾志超()男河南周口人工程硕士高级工程师主要研究方向为乘用车、商用车、航空活塞式发动机性能开发、可靠性提升:.:./.基于六西格玛的发动机性能一致性控制贾志超王永生.玉柴联合动力股份有限公司安徽 芜湖.奇瑞汽车股份有限公司安徽 芜湖 摘要:为提高发动机性能一致性以某 缸涡轮增压的汽油机为研究对象研究发动机概念设计阶段的发动机性能六西格玛设计和批量生产阶段的发动机性能散差六西格玛流程改进识别和控制影响发动机生产一致性的关键要素 在概念设计阶段应用 软件建立一维仿真模型确定控制因子及水平对气道进行稳健性设计对压缩比进行容差分析确保优化方案实现发动机设计目标在产品量产阶段识别出曲轴正时偏差和发动机功率修正系数不匹配是导致影响发动机性能一致性较差的原因 采取将飞轮螺栓孔、龙门支架传感器孔位置度均降至.及优化发动机功率修正系数等改进措施并对改进前的发动机进行试验对比验证 试验结果表明改进措施可使 的发动机样机性能散差控制在内关键词:发动机六西格玛一致性中图分类号:文献标志码:文章编号:()引用格式:贾志超王永生.基于六西格玛的发动机性能一致性控制.内燃机与动力装置():.():.引言随着中国汽车工业的发展国内很多自主品牌汽车生产企业具备自主开发发动机的能力掌握了发动机开发的核心技术生产的发动机性能可以达到国际一流水平 但受制于国内发动机制造工艺及管理水平国产发动机性能的一致性与国外先进发动机相比还有一定差距对产品性能一致性的研究还处在起步阶段发动机性能一致性是产品质量的重要保障不仅反映企业的研发能力还体现企业的制造、加工、管理水平是企业的核心竞争力 目前我国汽油发动机型式认证及生产一致性试验以文献为依据发动机生产一致性的功率允差为转矩允差为 随着国六排放标准的实施以及整车动力性、经济性对汽油性能一致性要求的提高动力性能允差已不能满足高品质发动机的生产一致性要求 许多制造商开始以更严格的标准控制发动机生产一致性某公司自 年开展“发动机转矩 质量控制工程”建立了一套完整的发动机性能开发及过程控制体系:在新产品开发阶段均按照性能散差不超过设计指标的进行质量考核生产阶段要求 的样本产品性能散差在内性能散差超过进行风险预警本文中以一款 缸涡轮增压汽油机为研究对象应用六西格玛管理方法在产品概念设计阶段对性能指标进行六西格玛设计()产品批量生产阶段应用六西格玛流程改进对性能散差进行分析识别出影响发动机性能一致性偏差的关键要素并进行流程控制使 的发动机样机性能散差不大于 六西格玛管理方法六西格玛是一套系统的、集成的业务改进方法体系旨在持续改进业务流程实现顾客满意的管理方法 在产品设计阶段通过 合理地应用多种工具、方法设计出满足顾客期望的产品在生产阶段对现有生产过程应用六西格玛过程改进(流程)即过程界定()、测量()、分析()、改进()、控制()从而提高质量和服务、降低成本达到顾客完全满意提高产品竞争力的目的六西格玛诞生于 世纪 年代中期是对全面质量管理特别是质量改进理论的继承和发展经过不断完善目前六西格玛理论已经发展到第四代不仅是一种质量改进的方法已经成为企业持续改进增强综合领导能力不断提高顾客满意度和经营绩效的一整套管理理念和系统方法并成为企业文化的一部分 国内很多汽车制造商引入六西格玛管理提升产品的质量 基于 的发动机一致性设计在发动机正向开发的概念设计阶段不仅需要实现客户确定的性能指标还应保证后续生产过程中产品性能的一致性 的流程为识别、设计、优化和验证 在识别阶段确定客户需求建立质量屋在设计阶段通过仿真手段获得各关键影响因素对性能的影响程度然后对系统级、零部件级的设计指标进行分解在优化阶段进行稳健设计、公差带分析等在验证阶段完成敏感性分析最后通过样机进行性能验证.项目识别通过市场调研对开发的发动机进行定义其中额定功率和最大转矩是发动机的主要动力性指标 发动机动力性指标的偏差不超过是一项重大挑战不仅牵涉到发动机产品性能定义、可靠性设计、电控数据标定还包括试验测试系统的精度图 发动机动力性关键影响系统、因素鱼骨图在项目识别阶段需要对影响发动机动力性(以功率为例)的关键系统或因素进行识别和指标分解 影响发动机动力性的关键系统和因素包括燃烧系统、进/排气系统、摩擦等借助鱼骨图法识别影响发动机动力性的关键系统和因素结果如图 所示 发动机性能开发及一致性设计主要围绕这些关键系统和要素展开.项目设计.模型应用 一维性能仿真软件并借助同类机型开发试验数据库对发动机动力性、经济性指标以及边界进行仿真分析 发动机技术参数及性能指标如表 所示 一维性能仿真模型如图 所示表 发动机技术参数及性能指标缸径/行程/排量/压缩比.额定功率/额定功率转速/()最大转矩/()最大转矩转速/()低速最大转矩/()低速转矩转速/()图 发动机 一维性能仿真模型第 期 贾志超等:基于六西格玛的发动机性能一致性控制.控制因子及水平经过识别发动机性能仿真的主要控制因子是气道滚流比、压缩比和增压器流量 滚流比大燃烧速度快可改善低速抗爆性但是高滚流比气道的流量系数较低高速时进气量不足影响额定功率压缩比是影响发动机爆震的重要参数较低的压缩比可改善低速抗爆性但影响高转速的燃烧热效率造成功率下降大流量增压器有利于提高发动机额定功率但会造成低速喘振裕度不足 仿真计算方案中气道有高滚流比、低滚流比 个水平记为、压缩比有.、.、.个水平记为、增压器有大流量、小流量 个水平记为、.仿真计算结果不同的控制因子和水平可形成 个方案组合 由于发动机性能仿真是多目标、多参数、多边界的优化过程计算结果受排温、爆震等边界影响较大 为简化计算只考虑单一因素及水平以爆震指标作为边界评估各方案组合对额定功率和最大转矩的影响 仿真计算各方案额定功率和最大转矩相对于方案(方案)的偏差结果如表 所示 由表 可知:若以最大转矩为优化目标方案 即 方案的转矩较高同时功率下降较小可作为基准设计方案表 各方案额定功率偏差和最大转矩偏差仿真结果方案序号气道滚流比水平增压器流量水平压缩比水平额定功率偏差/最大转矩偏差/().项目优化.气道稳健性设计 )直角刀 )球形刀图 缸盖加工用直角刀与球形刀对比文献 研究了一款自然吸气发动机的气道、配气相位、压缩比对发动机性能一致性的影响发现气道和压缩比控制散差对性能一致性影响较大 文献研究发现发动机缸盖制造过程中的气道滚流比差异可达.主要由气道砂芯铸造过程中的偏移造成合理优化气门座圈附近的加工工艺可大幅降低气道性能对铸造差异的敏感性 影响发动机性能散差的因素众多包括制造偏差、加工精度偏差等其中缸盖气道的铸造和加工偏差对性能影响最大 气道是发动机燃烧系统的核心细微的铸造和加工偏差就会对发动机性能造成较大的影响并进一步影响发动机可靠性因此有必要对缸盖气道进行稳健性设计即气道加工鲁棒性优化为有效提升发动机气道的生产一致性对加工缸盖的 种刀具进行对比 用于缸盖气门座圈加工的直角刀与球形刀对比如图 所示采用 种刀具各加工 套缸盖对气道的滚流 内燃机与动力装置 年 月 第 卷比、流量系数差异率进行统计结果如图 所示 由图 可知球形刀加工的气道的滚流比差异率在内流量系数差异率在内两者均小于直角刀加工的差异率 种刀具加工气道的流量系数对比如图 所示图中 为气门升程与气门直径的比 由图 可知直角刀加工的气道流量系数的中值高于球形刀约 图 种刀具加工气道的差异率对比 图 种刀具加工气道的流量系数对比从发动机性能一致性考虑应将发动机气道滚流比差异率、流量系数差异率分别控制在、内因此确定采用球形刀加工方案.容差设计压缩比是增压发动机的一项重要设计参数决定发动机的热效率对动力性产生重要的影响 从发动机性能一致性控制考虑在发动机设计阶段不仅要考虑名义压缩比还需要考虑其散差 文献采用 软件仿真分析了不同压缩比对发动机性能及其一致性的影响发现减小压缩比散差转矩波动平均减小了 文献采用蒙特卡罗法对一款.发动机压缩比进行了公差统计分析发现燃烧室容积对压缩比公差的影响达到 表 影响压缩比的主要容积及其散差占比压缩比尺寸名称公差带/散差占比/缸盖燃烧室容积.活塞凸出高度容积.活塞头部容积.缸垫孔容积.活塞余隙容积.开发阶段应将压缩比公差控制在.内根据压缩比的计算尺寸链采用蒙特卡罗统计法对影响压缩比的各关键零部件进行容差设计指标分解 常规设计中影响压缩比的各容积及其散差占比如表 所示 由表 可知对发动机压缩比影响较大的是缸盖燃烧室容积 和活塞凸出高度容积 其散差占比分别为、活塞凸出高度容积 由缸体高度、活塞压缩高度、曲柄半径等零部件尺寸链组成加严这些公差需要提高加工精度导致成本大幅增加因此对压缩比散差的控制集中在缸盖燃烧室容积上将缸盖燃烧室容积公差由()减小为()测量 套缸盖燃烧室容积将结果输入 对燃烧室容积的过程能力进行评价过程能力也称为工序能力是指人员、设备、材料、测量等可能影响质量的因素充分规范化时过程的加工水平满足技术标准的能力 实际生产中某质量特性测量数据的分布中心 与公差范围中心常常不重合即有偏移此时过程能力指数 ()式中:、分别为质量特性公差上、下限 为质量特性的标准差 表明质量特性过程能力充足由式()可得原燃烧室容积的 过程能力符合要求 燃烧室容积公差加严至()后 需要控制缸盖燃烧室容积的散差主要控制措施是提高缸盖铸造时燃烧室镶块的定位精度第 期 贾志超等:基于六西格玛的发动机性能一致性控制.样机验证图 种样机外特性验证曲线完成发动机概念设计并对极限公差样机进行热力学开发及标定 极限公差样机的组合方式为小压缩比低滚流缸盖(样机公差下限)和大压缩比高滚流缸盖(样机公差上限)为了充分验证极限样机的极限性能散差装配标准样机、公差上限样机、公差下限样机 种状态的发动机样机 种发动机外特性验证曲线如图 所示 由图 可知标准样机动力性达到设计指标并且边界合理公差上、下限样机的最大和最小转矩分别为、误差在范围内 发动机性能改进发动机开发完毕后进入量产阶段产能可达到 台/以上此时若抽检测试发动机性能出现一定的散差可能超过甚至超过 为改善发动机性能一致性应用 流程对性能一致性散差控制进行分析.过程界定图 发动机最大转矩变化曲线 年抽检样机 台其性能走势如图 所示 由图 可知:部分发动机最大转矩散差超过了部分样机转矩低于设计指标的最大转矩随月份呈现一定的周期变化其中一月份性能最低六月份性能较高计算 样 机 最 大 转 矩 的 过 程 能 力 转换为无偏过程的能力指数 .发动机转矩控制精度不合格且准确度也出现问题与设计目标有偏差需要对其进行质量改进.系统测试.发动机性能关键影响因素经过识别影响发动机性能的关键因素有 类:)影响进、排气系统的因素 如排气歧管、排气背压、空滤压降、气道(流量系数、滚流比)影响燃烧系统的因素 如压缩比、曲轴正时)测试试验边界条件 如燃油牌号(热值、抗爆性)、环境压力、环境湿度、进气温度、水温经过排查分析试验控制边界条件都在标准要求范围内气道滚流比和压缩比等发动机性能关键控制指标的生产过程能力也符合设计要求但曲轴正时散差较大 曲轴正时信号(以曲轴转角表示定义压缩上止点对应的曲轴转角为)是发动机电控系统点火正时、喷油正时的基础其精度直接影响发动机的燃烧正时是影响性能一致性散差的重要因素 采用极值法计算各主要尺寸链对曲轴正时的影响结果如表 所示由表 可知:飞轮螺栓孔的位置度公差换算为曲轴转角达到.其散差占比为.是曲轴正时散差控制的关键因素采用燃烧分析仪测量曲轴飞轮信号结果如图 所示对应的飞轮信号轮位置如图 所示 由图、可知正确的曲轴正时为 但偏差状态下曲轴飞轮信号轮为 内燃机与动力装置 年 月 第 卷表 曲轴正时主要要素及其公差带和散差占比正时尺寸名称公差带/()散差占比/飞轮螺栓孔位置度.龙门支架传感器孔位置度.信号齿缺口位置度.框架正时销螺纹孔位置度.曲轴正时销孔位置度.龙门支架定位销孔位置度.离壳定位销孔位置度.图 曲轴飞轮信号测试结果 )正确位置 )极限位置图 飞轮信号轮位置.台架测试系统分析环境条件影响发动机的进气状态进而影响发动机功率输出因此发动机性能测试时需要进行环境条件功率修正提升发动机测量系统分析()能力 有研究指出随着发动机技术升级环境条件对发动机的性能影响更复杂文献定义的发动机功率修正系数已不适合发动机性能散差不大于要求文献定义的发动机功率修正因数 .()式中:为以 为单位的大气压力的数值为以 为单位的水蒸气分压的数值 为以 为单位的进气热力学温度的数值 由式()可知发动机功率修正系数受大气压力、大气湿度、进气温度的影响 年芜湖市大气压力和大气湿度参数变化趋势如图)、)所示根据环境参数计算的发动机功率修正系数如图)所示 由图)可知:发动机功率修正系数冬天最低、夏天较高与图 发动机最大转矩变化趋势有一定关联应对其进行优化 )大气压力变化趋势 )大气湿度变化趋势 )修正系数变化趋势图 环境参数与发动机功率修正系数的变化趋势第 期 贾志超等:基于六西格玛的发动机性能一致性控制.分析阶段图 不同曲轴正时对发动机转矩的影响发动机曲轴正时影响发动机实际点火提前角对发动机性能产生重要影响 通过台架试验验证 种不同曲轴正时对发动机转矩的影响如图 所示 发动机转矩与曲轴正时的拟合曲线为 .发动机转矩随曲轴正时(曲轴转角为 )线性增长每曲轴转角转矩增加达到 占发动机转矩散差的.改进阶段由表 可知 个曲轴正时主要因素的累计公差带达到.总公差带为.左右因此应进一步优化曲轴正时的公差设计 通过对曲轴正时的公差链分析结合产品加工工艺减小飞轮螺栓孔和龙门支架转速传感器的位置度可在不大幅提高加工成本的情况下缩小公差范围 飞轮螺栓孔位置度由 降低为 龙门支架传感器孔位置度由 降低为.目前增压发动机电控系统通常具有环境压力补偿功能在一定的环境压力变化范围内通过调节增压器废气阀的开度补偿由环境压力降低造成的转矩下降同样环境压力高于发动机标定参考压力时自动降低目标增压压力保证发动机输出的转矩不变 因此原来的发动机功率修正系数不适用于有环境压力补偿的电控系统需要对发动机功率修正因数进行优化 优化后的发动机功率修正因数 .式中:为以 为单位的发动机标定时的环境压力为定值 为湿度对发动机燃烧的影响因数考虑到增压发动机受环境湿度的影响较大推荐.经过对标准样机的试验验证本文中.控制阶段 图 改进前、后发动机最大转矩对比对改进前、后发动机最大转矩进行试验测试结果如图 所示 由图 可知:改进后的发动机样机最大转矩的散差控制在内设计阶段加强对压缩比、气道滚流比散差的控制量产阶段减小发动机曲轴正时的公差带提升试验性能检测重复性体系能力优化发动机功率修正因数 可有效提高发动机性能一致性 结束语六西格玛法在发动机一致性控制中在发动机性能概念设计阶段应用 对发动机气道进行稳健性设计对压缩比进行容差分析确保优化方案满足发动机设计目标在批量生产阶段采用 方法识别影响发动机性能一致性的关键因素通过减小曲轴正时公差带提升发动机 系统的能力优化发动机功率修正系数实现项目预定的 的发动机样机功率散差小于的目标 方法是企业改进业务流程的一种有效方法可帮助企业取得良好的产品质量效益参考文献:钟明明许敏李冕等.发动机制造精度与性能关系研究.机械制造与自动化():.姜为为.以性能为目标的公差反推设计在发动机精密制造中的应用.中国标准化():.马杰方茂东高继东.国 阶段轻型汽车排放的生产一致性调查分析.汽车技术():.内燃机与动力装置 年 月 第 卷 国家机械工业局.汽车发动机性能试验方法:/.北京:中国标准出版社.何桢.六西格玛管理.版.北京:中国人民大学出版社.马林何桢.六西格玛管理.版.北京:中国人民大学出版社.李红.六西格玛应用于供应商质量改进的实践.供应商管理():.佚名.创新孵化器:江淮汽车发动机公司的六西格玛管理实践.中国质量():.采峰马召.面向装备研制的先进质量工程方法论:六西格玛设计()研究.标准科学():.王哲李红洲翁中华等.自然吸气发动机性能一致性影响因素分析.小型内燃机与车辆技术():.杨俊伟刘国庆刘华龙等.进气道生产一致性对汽油机性能影响及设计优化.小型内燃机与摩托车():.龚华许敏李冕等.提高发动机性能一致性的公差优化.内燃机工程():.朱航刘国庆杨俊伟.基于蒙特卡罗法的汽油机压缩比公差统计分析.小型内燃机与车辆技术():.贾志超王志王孟轲等.进气湿度对增压汽油机性能影响的试验.内燃机学报():.:.:(责任编辑:郎伟锋)第 期 贾志超等:基于六西格玛的发动机性能一致性控制