國(guó)產(chǎn)某皮卡熱平衡能力試驗(yàn)研究

張志國(guó)，高吉強(qiáng)，郭 勇，苑 林，李 卓

（1. 中國(guó)汽車技術(shù)研究中心，天津 300300；2. 北京交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院 汽車工程系，北京 102618）

0 引 言

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，有時(shí)候出現(xiàn)燃燒不正常的現(xiàn)象，究其原因是高溫燃?xì)馐菇佑|的零部件溫度急劇升高，且未得到及時(shí)適當(dāng)?shù)睦鋮s，使發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱，造成充氣系數(shù)下降；該狀況加劇了發(fā)動(dòng)機(jī)零部件磨損，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)不能正常工作，致使發(fā)動(dòng)機(jī)性能全面惡化，影響其可靠性和耐久性。若發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻能力過(guò)剩將導(dǎo)致熱損失增加，發(fā)動(dòng)機(jī)零部件會(huì)因?yàn)闈?rùn)滑油的溫度過(guò)低引起磨損加劇，燃油經(jīng)濟(jì)性也會(huì)因?yàn)槔鋮s液的溫度過(guò)低而下降。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)能否在各工況下處于適宜的溫度、可靠的工作，是衡量汽車?yán)鋮s系統(tǒng)優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)。汽車熱平衡能力試驗(yàn)是評(píng)價(jià)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的重要手段，2010年1月1日國(guó)家開始實(shí)施的GB/T 12542-2009《汽車熱平衡能力道路試驗(yàn)方法》詳細(xì)規(guī)定了在道路試驗(yàn)中如何評(píng)價(jià)汽車?yán)鋮s系統(tǒng)熱平衡能力。下面將基于 GB/T 12542-2009對(duì)國(guó)產(chǎn)某皮卡熱平衡能力試驗(yàn)進(jìn)行研究與分析。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

首先按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行車輛試驗(yàn)準(zhǔn)備，檢查輪胎氣壓是否符合規(guī)定值，準(zhǔn)備滅火器并保證其工作正常，按照汽車使用說(shuō)明書規(guī)定的型號(hào)、數(shù)量更換發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液、潤(rùn)滑油（發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、驅(qū)動(dòng)橋處的）。試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如表1所示。溫度傳感器采用K型熱電偶，傳感器安裝時(shí)要注意密封，不能出現(xiàn)油水泄漏現(xiàn)象，水溫傳感器安裝時(shí)可以采用在進(jìn)、出水軟管上打孔或者在接口處直接埋入，油溫傳感器是在放油螺栓處打孔埋入，傳感器的埋入深度要掌握好，避免碰到旋轉(zhuǎn)件。

表1 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

2 試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

試驗(yàn)是在環(huán)境艙進(jìn)行的，為模擬道路試驗(yàn)中的各個(gè)試驗(yàn)工況，通過(guò)艙內(nèi)的底盤測(cè)功機(jī)對(duì)試驗(yàn)車輛進(jìn)行加載。整車熱平衡試驗(yàn)的試驗(yàn)工況有常規(guī)使用工況和極限使用工況，其中常規(guī)使用工況主要考察汽車在常規(guī)行駛過(guò)程中各冷卻系的冷卻能力，包括怠速行駛工況、高速行駛工況、熄火浸置工況和模擬爬坡工況；極限使用工況包括發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速工況和發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率轉(zhuǎn)速工況，主要考察汽車在低擋位、高扭矩（高轉(zhuǎn)速）下冷卻系的冷卻能力。試驗(yàn)過(guò)程中，各個(gè)工況的試驗(yàn)順序可以自由選擇，一個(gè)試驗(yàn)工況結(jié)束后，要等各冷卻液的溫度恢復(fù)后再進(jìn)行另一項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中要記錄空調(diào)和風(fēng)扇的工作狀態(tài)，不要在高于各冷卻介質(zhì)許用溫度下長(zhǎng)時(shí)間地進(jìn)行試驗(yàn)。各個(gè)試驗(yàn)工況開始后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集儀器實(shí)時(shí)記錄各測(cè)點(diǎn)的溫度，當(dāng)連續(xù)4 min內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的溫度均無(wú)明顯上升且變化范圍在1℃以內(nèi)，可認(rèn)為汽車達(dá)到熱平衡，該工況試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)環(huán)境溫度選擇在40℃。

2.1 高速行駛與熄火浸置工況

高速行駛工況試驗(yàn)條件是汽車在無(wú)負(fù)荷狀態(tài)下，用最高擋，90%最高車速或者140 km/h（兩者取較小值）勻速行駛；該試驗(yàn)樣車的最高車速為150 km/h，因此在此工況下使用車速135 km/h進(jìn)行試驗(yàn)。該工況結(jié)束后迅速停車并熄火，進(jìn)入熄火浸置工況，觀察冷卻介質(zhì)是否達(dá)到其許用最高溫度，汽車是否出現(xiàn)冒煙、有異響等現(xiàn)象。試驗(yàn)曲線如圖 1所示?？梢钥闯?，高速行駛工況過(guò)程中，空調(diào)一直沒(méi)有自動(dòng)關(guān)閉，冷卻液最先達(dá)到平衡，平衡時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為103℃左右，大約3 min后機(jī)油也達(dá)到平衡要求，機(jī)油平衡溫度為126℃。發(fā)動(dòng)機(jī)熄火浸置后，各個(gè)冷卻介質(zhì)溫度沒(méi)有上升趨勢(shì)，無(wú)異響、冒煙等現(xiàn)象。

2.2 模擬爬坡工況

模擬爬坡工況是汽車在3/4額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，爬上7%坡度所選用的最高擋。該工況試驗(yàn)利用轉(zhuǎn)鼓來(lái)實(shí)現(xiàn)，逐步對(duì)試驗(yàn)樣車施加坡度阻力，最后穩(wěn)定在7%坡度左右。通過(guò)試驗(yàn)確定出該車選用Ⅲ擋，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，該工況下機(jī)油和冷卻液的溫度變化與高速行駛工況類似，先是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液達(dá)到平衡，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度為102℃，繼而機(jī)油達(dá)到平衡，平衡時(shí)溫度為119℃。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況

該工況是指汽車在直接擋下，以50 km/h的車速行駛20 min后停放在“十”字擋風(fēng)墻內(nèi)，大燈全開，散熱器迎風(fēng)面正對(duì)風(fēng)向，發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)。由于本次試驗(yàn)是在環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行，沒(méi)有外界風(fēng)的影響，只要保證發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)艙內(nèi)冷卻風(fēng)扇不工作就可以。圖3顯示，在20 min勻速行駛過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)、出水溫度達(dá)到穩(wěn)定平衡，其他冷卻介質(zhì)的溫度也沒(méi)有上升的趨勢(shì)；怠速之后，各冷卻介質(zhì)的溫度沒(méi)有上升的趨勢(shì)，進(jìn)、出水溫差加大，說(shuō)明此工況下冷卻能力更加充足。

2.4 極限使用工況

極限使用工況是指汽車加速踏板完全踩下并以Ⅱ擋行駛，汽車逐步被施加的負(fù)荷通過(guò)底盤測(cè)功機(jī)（負(fù)荷拖車）來(lái)完成，使得汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在最大扭矩轉(zhuǎn)速（最大扭矩轉(zhuǎn)速工況）和額定功率轉(zhuǎn)速（額定功率轉(zhuǎn)速工況），偏差在±2%或者±50r/min（取二者中較大值）以內(nèi)。本次試驗(yàn)極限工況下各測(cè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化曲線如圖4和圖5所示。從曲線可以看出，在最大扭矩工況下，機(jī)油溫度在116℃左右達(dá)到平衡，發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)、出水溫度由于受空調(diào)開閉和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化的影響，也實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)平衡，最高出水溫度為 102℃；發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率轉(zhuǎn)速工況下，各冷卻介質(zhì)的溫度上升較快，空調(diào)自動(dòng)關(guān)閉，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度不到4 min上升到112℃，超過(guò)了企業(yè)規(guī)定許用溫度（105℃），試驗(yàn)停止。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

汽車熱平衡的試驗(yàn)結(jié)果最終是以許用環(huán)境溫度的形式體現(xiàn)，計(jì)算所有冷卻介質(zhì)在極限工況和常規(guī)工況下的許用環(huán)境溫度，以各冷卻介質(zhì)中的最小值作為其許用環(huán)境溫度。許用環(huán)境溫度的計(jì)算公式

式中，TL為冷卻介質(zhì)的許用最高溫度；KC為冷卻常數(shù)（熱平衡時(shí)冷卻介質(zhì)的平衡溫度與環(huán)境溫度的差值）。

綜上幾個(gè)工況來(lái)看，變速箱油和驅(qū)動(dòng)橋油的溫度均沒(méi)有達(dá)到平衡，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，溫度緩慢上升，但是由于變速箱油和驅(qū)動(dòng)橋油的許用溫度較高，試驗(yàn)過(guò)程中均離許用溫度還有較大的溫差，再加上環(huán)境艙內(nèi)流場(chǎng)的限制，對(duì)變速箱和驅(qū)動(dòng)橋的冷卻要比實(shí)際道路差很多，所以這兩處的冷卻介質(zhì)不會(huì)成為該車許用溫度的限制因素，計(jì)算過(guò)程中可以不予考慮。企業(yè)提供的冷卻液和機(jī)油的許用最高溫度分別為105℃和130℃，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到各工況下許用溫度，如表2所示。

表2 各試驗(yàn)工況下許用溫度

4 結(jié)束語(yǔ)

綜合以上的試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出：常規(guī)使用工況下的許用溫度為42℃，高速行駛工況和模擬爬坡工況得出的許用環(huán)境溫度較接近，冷卻液的溫度僅相差 1℃，但由于模擬爬坡工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，機(jī)油的平衡溫度比高速行駛工況下要低7℃，結(jié)合最大扭矩工況下機(jī)油和冷卻液的溫度變化可以看出，機(jī)油的溫度主要跟發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)，車輛負(fù)荷的影響相對(duì)較小。而發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的溫度跟車輛負(fù)荷和發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速都有很大的相關(guān)性。在極限使用工況下，由于額定功率工況下發(fā)動(dòng)機(jī)不僅是全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，更是在高轉(zhuǎn)速下工作，再加上該車的后備功率比較大，極限工況下附加的載荷較高，在額定功率工況下的附加載荷為13%的坡度，該車未能達(dá)到平衡，許用的環(huán)境溫度低于33℃，說(shuō)明該車不能在此極限工況長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)。

[1]GB/T 12542-2009，汽車熱平衡能力道路試驗(yàn)方法[S].

[2]姚仲鵬，王新國(guó)． 車輛冷卻傳熱[M]. 北京：北京理工大學(xué)出版社，2001.

[3]周龍保，劉巽俊，高宗英. 內(nèi)燃機(jī)學(xué)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.