发动机可靠性及耐久性开发试验验证方法研究

罗剑坤

（江铃汽车股份有限公司动力总成开发部 江西 南昌 330003）

引言

发动机可靠性及耐久性是发动机品质的重要评价属性。可靠性和耐久性虽然在一定程度上都表现为产品的可靠耐用，却有着不同的概念侧重。可靠性更加偏向于在一定设定条件下对样本量整体的考虑及概率计算，而耐久性更加偏重于样本量个体的考量，主要评估个体样本在不同的运行条件下的持久工作能力[1]。

针对该两个属性开发，可以通过设定单个耐久试验的工况运行及多个样本数量的科学定义从而达到发动机的耐久性及可靠性目标。

本文主要包括了耐久试验的逐个设计描述和单个耐久试验在整体验证计划设计中样本量的定义以达到产品可靠性设计需求。

1 发动机台架耐久试验

目前江铃汽车股份有限公司动力总成开发部定义出企业完整的验证体系。通过对零件及系统的失效模式和运行环境的研究把耐久试验划分为高周疲劳、低周疲劳[2]及模拟用户道路使用循环3 大类别。其中高周疲劳包括了以最大热负荷输入、最大爆发压力输入、最大振动负载输入，最大惯性力输入等热载荷及机械载荷为主要循环工况的耐久试验；低周疲劳包括了以极值交替热负荷、机械负荷的耐久试验，这两大类型的耐久试验是对发动机的硬失效模式去制定的，针对于零件结构设计及材料的强度验证。而模拟用户道路使用循环耐久主要是评估由于应力、磨损、腐蚀等的累积效应对发动机各系统及零部件的耐久性考量，除考核发动机硬失效模式外，也考核发动机的软失效模式，同时可以兼顾到评估机油的保养时间及里程等。

本文规定硬失效属于发动机重要结构及运动件（5C）失效导致需要解体更换修复，而软失效定义为功能性下降但不丧失（比如密封不良、动力下降等）。

1.1 耐久试验类型体系

耐久试验类型体系如图1 所示。

图1 耐久试验类型体系

1.2 高周疲劳

该类型耐久试验以高周疲劳耐久试验和振动耐久试验为代表，理论依据为以发动机点火循环及共振为激励计数，选取代表最大热负荷、机械负荷及共振转速为工况点设计试验循环。运行工况设计见图2、3，每个工况相对独立，可以任意更改工况运行次序。高周计数以整车路谱分析为主或在无路谱数据的前提下计数建议采用1～1.5×107为宜。

图2 以点火循环为高周激励

图3 以共振次数为高周激励

1.3 低周疲劳

该类型耐久试验以常温、深度热冲击及排气管开裂及EGR 污染循环耐久试验为代表，理论依据为以发动机重要零部件（缸体、缸盖、排气管、EGR 系统等）及密封系统在发动机规定的寿命周期内，指定的温度变化、周期性污染等交变次数为激励计数，主要选取代表最大热负荷工况点及特定工况（EGR 开度最大，最小等）设计试验循环。运行工况设计见图4～6，低周计数以整车路谱分析为主。

图4 以冷却液出口温度结合燃烧室温度的高低温梯度为低周激励

图5 以排气歧管表面的高低温梯度为低周激励

图6 以高EGR 率为低周激励

1.4 模拟用户道路使用循环

该类型耐久试验主要模拟用户的稳态及瞬态操作条件下等效发动机在寿命期磨损及应力累积，工况及运行时间设计相对复杂，具体的理论支撑在于典型的路谱分析。根据运行时间的预先估计去定义加权因子，一般来说B10 设计寿命在20～40×104km 的发动机，该类试验时间可控制在800～1 000 h。其他均可按该比例去定义试验时间，典型的工况设计如图7 所示。

图7 稳态和瞬态模拟整机工况

2 在可靠性设计要求下定义样本量

样本量定义一般在全新发动机开发制定基础上只做减法，意味着在基础机型上做排放升级或是零部件及系统设计升级时，在其验证计划中选取针对变更的条件可能带来的失效的试验，所以全新的基础机型开发的验证计划制定非常重要。整个验证计划里试验的样本量（需要试验个体的数量）和以上章节论述的试验（做什么试验）显得格外重要，这不仅关乎到验证计划的科学性，同时也关乎到发动机的开发周期和成本，这点对企业尤为重要。

2.1 数学理论模型

在产品可靠性分析中，使用较广泛的就是威布尔分布，它的优点是能利用有限的样本数据，能够给出精确的分析和预测结果，并且威布尔分布是研究机械机构可靠性最适合的数学理论[3]。在这里，我们采用2 参数的威布尔分布函数为基础去制定整个样本数量，因此假定发动机可靠性函数如下：

式中：α 为尺度参数；β 为形状参数。

1）首先我们会假设形状参数β=1，通常在发动机台架试验去验证设计缺陷的时候，我们一般会集中到故障“浴盘”曲线的偶发故障期[4]，因为其故障持续时间较长，且不可预估；

2）尺度参数α 我们会定义估计为

式中：T 为试验里程（循环次数、km、h）；r 为失效次数。

在C%置信区间内Weibull 尺度参数α 的估计公式可转换为：

式中：χ2（C ∶2r+2)为C%的自由度为（2r+2)的χ2分布。

以上也就是Nelson 可靠性增长数学模型[5]，根据公式中的定义，可以得出任意目标B10 寿命t 时的可靠度90%的对应理论数据，如下表为设定B10 寿命为24×104km，可靠度在90%时试验累计需求的试验里程数5.25×106km。

表1 B10 寿命的失效次数及可靠性

3）从以上分析得知，不同的B10 寿命目标将对应不同的累计试验里程需求数。

2.2 个体试验对应里程的理论评估

结合2.1 的分析，确定试验样本量较为重要的一环就是单个试验对应里程的评估，因高周疲劳及低周疲劳的高低周计数均覆盖了发动机在市场上的全寿命里程，意味着该类试验均可代表为寿命全里程数。我们只需要评估采用模拟用户道路使用试验规范所确认的里程数即可。

1）试验过程中发动机所受负荷强度

式中：n 为发动机转速；mf为发动机单位时间燃油消耗量；Li为单位时间的负荷强度；N 为发动机工况个数。

2）负荷强度加权平均值计算

一个完整循环工况下，发动机所承受的负荷强度加权平均值计算公式如下

3）加速因子计算

2 个不同的循环工况下发动机所承受的负载强度加权平均值分别为：LAi和LAj，所对应的车辆行驶里程分别为：Si和Sj。根据加速因子定义[6]可知：

这里需要强调的是，一般我们会采用标准的NEDC[7]轻型国V 排放循环或者WLTC[8]国VI 排放循环去做基准算出设计出来的模拟用户道路循环的加速因子数值。

4）等效车辆行驶里程计算

若某特定时长耐久试验i 的总循环数为N，它所等效车辆在某特定行驶工况下的行驶总里程S 计算如下：

5）以下为某个模拟用户道路使用循环工况试验所代表的里程数计算值，如表2 所示。

表2 某个模拟用户道路使用循环工况试验所代表的里程数计算值

3 发动机开发试验验证计划

结合以上章节的论述，以下为我司针对某个全新发动机项目编制的试验验证计划。该机可靠性目标属性为B10 寿命24×104km。从累积的里程数值显示已可以满足可靠性目标，如表3 所示。

表3 发动机开发试验验证计划

4 结论

本文论述了全新发动机耐久性及可靠性开发试验验证的一种解决方法，通过阐述单个耐久试验工况制定理论及多个耐久试验的样本组合理论来诠释了该类解决方案的试验体系。本司在某一全新发动机开发中实践了该试验体系，并取得了很好的设计验证效果。