重型汽車整車熱平衡臺(tái)架試驗(yàn)方法研究

崔啟明　侯之超　王永飛　張勇　劉藝（.北奔重型汽車集團(tuán)有限公司，包頭040；.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京00084；.軍械工程學(xué)院，石家莊05000）

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重型汽車整車熱平衡臺(tái)架試驗(yàn)方法研究

崔啟明1侯之超2王永飛1張勇2劉藝3
（1.北奔重型汽車集團(tuán)有限公司，包頭014032；2.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084；3.軍械工程學(xué)院，石家莊050003）

【摘要】以某重型汽車為例，對(duì)整車熱平衡臺(tái)架試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究。結(jié)合車輛實(shí)際運(yùn)行環(huán)境確定了臺(tái)架試驗(yàn)條件，通過對(duì)道路試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的工況進(jìn)行擴(kuò)充確定了臺(tái)架試驗(yàn)工況，并分別進(jìn)行了實(shí)車道路試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)對(duì)比分析。結(jié)果表明，臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果與道路試驗(yàn)結(jié)果的一致性較好，證實(shí)了擴(kuò)允改進(jìn)后臺(tái)架試驗(yàn)的可行性、合理性以及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

主題詞:重型汽車整車熱平衡臺(tái)架試驗(yàn)

1　前言

重型汽車由于使用環(huán)境惡劣，發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間工作在極限工況，因而對(duì)冷卻系統(tǒng)的散熱能力提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，為此，需要從系統(tǒng)集成和整車角度對(duì)冷卻系統(tǒng)的散熱能力進(jìn)行考核[1]。目前，國(guó)外已經(jīng)建立了優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的整車熱管理系統(tǒng)，我國(guó)相關(guān)部門也按著國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)開展了整車熱平衡試驗(yàn)，總結(jié)了不同工況下冷卻系統(tǒng)的溫變特性，分析了冷卻系統(tǒng)各參數(shù)與整車許用環(huán)境溫度之間的關(guān)系[2～8]。

目前，對(duì)整車熱平衡的試驗(yàn)研究包括道路試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)兩種方式。雖然道路試驗(yàn)是整車熱平衡研究的主要手段[7]，然而受道路狀況及環(huán)境溫度的限制，無法保證發(fā)動(dòng)機(jī)能長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在極限工況下，因此在考核整車熱負(fù)荷的極限溫度時(shí)存在偏差[8]；而臺(tái)架試驗(yàn)相對(duì)道路試驗(yàn)具有周期短、不受地域和時(shí)間限制的優(yōu)勢(shì)，試驗(yàn)結(jié)果具有良好的可重復(fù)性，但目前仍缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。為此，本文以某重型車輛為例進(jìn)行熱管理風(fēng)洞道路模擬臺(tái)架試驗(yàn)，并通過與道路試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證臺(tái)架試驗(yàn)的合理性和可行性。

2　試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在裝配有底盤測(cè)功機(jī)的熱環(huán)境風(fēng)洞中進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，熱環(huán)境風(fēng)洞相關(guān)參數(shù)見表1。熱環(huán)境艙可提供恒定且均勻的環(huán)境溫度，汽車風(fēng)洞可提供速度穩(wěn)定且分布均勻的氣流，底盤測(cè)功機(jī)可以準(zhǔn)確模擬負(fù)載，使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠快速穩(wěn)定在測(cè)試工況。

圖1　試驗(yàn)系統(tǒng)示意

表1熱環(huán)境風(fēng)洞相關(guān)參數(shù)

底盤測(cè)功機(jī)為雙滾筒結(jié)構(gòu)，為了使車輪在轉(zhuǎn)鼓上的受力盡量與道路上一致，根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，滾筒直徑定為2～2.5 m。轉(zhuǎn)鼓安裝在環(huán)境艙的中間位置，可為被測(cè)車輛提供精確的道路負(fù)載，試驗(yàn)車輛為某6×4重型汽車，其相關(guān)參數(shù)見表2。

測(cè)試系統(tǒng)包括各類傳感器和數(shù)據(jù)采集儀，用于對(duì)整車散熱系統(tǒng)熱平衡試驗(yàn)進(jìn)行以下測(cè)試。

a.散熱器對(duì)冷卻液既要有足夠的散熱能力，同時(shí)對(duì)冷卻液的流通阻力也應(yīng)足夠小，所以需要測(cè)量散熱器進(jìn)、出水口的溫度和壓力。

表2試驗(yàn)車輛參數(shù)

b.中冷器對(duì)增壓后的空氣既要有足夠的散熱能力，同時(shí)對(duì)空氣的流通阻力也應(yīng)足夠小，所以需要測(cè)量中冷器進(jìn)、出氣口的溫度和壓力。

c.環(huán)境溫度是影響散熱能力的重要參數(shù)之一，所以需要在駕駛室前部布置溫度傳感器。

d.為了了解中冷器前部熱回流情況，需要測(cè)量中冷器前方空氣溫度。

e.試驗(yàn)過程中，為監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)水泵的工作狀態(tài)，需要測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)出水口流量。

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮蛙囕v結(jié)構(gòu)，傳感器參數(shù)及測(cè)點(diǎn)布置要求見表3，共79個(gè)通道。測(cè)試系統(tǒng)采樣率設(shè)置為0.5 Hz。

2.1試驗(yàn)條件

結(jié)合車輛實(shí)際使用工況，試驗(yàn)條件應(yīng)滿足如下要求。

a.環(huán)境溫度應(yīng)為35±0.5℃；

b.在發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率轉(zhuǎn)速工況下的模擬風(fēng)速為25 km/h；

c.在發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速工況下的模擬風(fēng)速為10 km/h；

d.冷卻風(fēng)扇必須剛性連接，以使冷卻系統(tǒng)保持最大冷卻效能；

e.空調(diào)應(yīng)處于外循環(huán)狀態(tài)，溫度調(diào)節(jié)開關(guān)置于最大冷卻模式，以增加發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷。

以上試驗(yàn)條件中溫度的設(shè)置最為關(guān)鍵。根據(jù)傳熱學(xué)理論，在達(dá)到熱平衡后，冷卻介質(zhì)溫度與環(huán)境溫度的差值不應(yīng)隨環(huán)境溫度的變化而變化。但對(duì)于汽車?yán)鋮s系統(tǒng)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)積熱、地面輻射、熱風(fēng)回流等因素的影響，環(huán)境溫度升高時(shí)，機(jī)油和冷卻液溫度會(huì)比環(huán)境溫度上升的更快，發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度與環(huán)境溫度的差值就會(huì)增大，散熱器散熱性能將會(huì)下降。所以散熱器性能在低的環(huán)境溫度下表現(xiàn)較好，與汽車在極限環(huán)境溫度（41℃）下表現(xiàn)的散熱性能不符，這也是道路試驗(yàn)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的問題。因此，只有試驗(yàn)環(huán)境溫度與極限環(huán)境溫度相接近時(shí)，才能得到符合實(shí)際使用環(huán)境的試驗(yàn)結(jié)果[7]。另外，環(huán)境溫度也不應(yīng)過高，盡量不要接近冷卻系統(tǒng)極限環(huán)境使用溫度。這是因?yàn)槿绻鋮s系統(tǒng)散熱能力不合格，試驗(yàn)時(shí)容易使發(fā)動(dòng)機(jī)過熱甚至燒毀。所以，環(huán)境溫度應(yīng)設(shè)置為35±0.5℃，這也是奧地利斯太爾工程中心（ECS）的技術(shù)規(guī)范中所設(shè)置的環(huán)境溫度。

2.2試驗(yàn)工況

試驗(yàn)工況是車輛在實(shí)際使用環(huán)境下的典型工況，其選擇是否合理將直接影響對(duì)冷卻系統(tǒng)散熱能力的評(píng)價(jià)。

對(duì)于道路試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12542—2009《汽車熱平衡能力道路試驗(yàn)方法》中規(guī)定了6個(gè)工況，包括發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速工況、發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率轉(zhuǎn)速工況、模擬爬坡工況、高速行駛工況、熄火浸置工況和發(fā)動(dòng)機(jī)怠速工況等。在臺(tái)架試驗(yàn)中，除包含標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12542—2009中規(guī)定的全部工況外，還根據(jù)車輛的實(shí)際使用情況對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的兩個(gè)工況進(jìn)行了細(xì)分和組合，得到了4個(gè)新工況，這樣臺(tái)架試驗(yàn)共為10個(gè)工況。因發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后無進(jìn)氣，所以只選取其中5個(gè)工況對(duì)中冷器進(jìn)行分析。

發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速是一個(gè)區(qū)間轉(zhuǎn)速，在標(biāo)準(zhǔn)GB/ T 12542—2009中并未規(guī)定在具體的轉(zhuǎn)速點(diǎn)下進(jìn)行試驗(yàn)，因而通常采用高轉(zhuǎn)速點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)。但車輛實(shí)際使用中，最大扭矩對(duì)應(yīng)區(qū)間轉(zhuǎn)速的低轉(zhuǎn)速點(diǎn)也容易出現(xiàn)高溫情況，因?yàn)榇藭r(shí)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速較低，減弱了散熱能力。為此，在臺(tái)架試驗(yàn)中，將標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12542—2009中發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速工況分為最大扭矩低轉(zhuǎn)速點(diǎn)和最大扭矩高轉(zhuǎn)速點(diǎn)兩個(gè)工況。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12542—2009中規(guī)定的熄火浸置工況是在高速行駛工況后持續(xù)進(jìn)行的，以考核車輛熄火后散熱系統(tǒng)在風(fēng)扇停轉(zhuǎn)、冷卻水循環(huán)停止后冷卻液是否會(huì)持續(xù)升溫。在實(shí)際使用中，雖然車輛熄火后冷卻風(fēng)扇停止工作，但冷卻液有時(shí)還會(huì)持續(xù)升溫，所以試驗(yàn)中應(yīng)考慮在發(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)速工況試驗(yàn)后進(jìn)行熄火浸置工況的試驗(yàn)，這樣就增加了最大扭矩低轉(zhuǎn)速點(diǎn)熄火浸置、最大扭矩高轉(zhuǎn)速點(diǎn)熄火浸置和發(fā)動(dòng)機(jī)額定功率轉(zhuǎn)速熄火浸置等3個(gè)試驗(yàn)工況。

3　評(píng)價(jià)指標(biāo)與試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于冷卻系統(tǒng)散熱能力的評(píng)價(jià)，采用“液氣溫差”和“氣氣溫差”作為其評(píng)價(jià)指標(biāo)。

a.液氣溫差是指發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度與環(huán)境溫度的差值，是反映散熱器散熱能力的重要指標(biāo)。該指標(biāo)用以計(jì)算極限環(huán)境使用溫度，溫差越低極限環(huán)境使用溫度就越高，車輛適應(yīng)高溫環(huán)境的能力就越強(qiáng)。

b.氣氣溫差是指中冷器中冷后空氣溫度與環(huán)境溫度的溫差，是反映中冷器散熱能力的重要指標(biāo)。在同樣的增壓壓力下，溫差越低，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量就越高，越有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)功率。

另外，散熱器表面的冷卻空氣在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)回流、滯留、加熱冷卻氣流，會(huì)造成機(jī)艙整體或局部溫度過高，所以根據(jù)冷卻空氣熱回流的部位可以判斷與冷卻系統(tǒng)相關(guān)的車輛總體布置是否合理，這是一個(gè)輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.2對(duì)比分析

針對(duì)目標(biāo)車輛進(jìn)行了道路試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)，兩種試驗(yàn)的試驗(yàn)工況相同，不僅包含標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12542—2009中規(guī)定的6個(gè)工況，又補(bǔ)加了4個(gè)新工況。利用3種評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

3.2.1液氣溫差的對(duì)比分析

在環(huán)境溫度分別為35℃和29℃時(shí)各進(jìn)行5次臺(tái)架試驗(yàn)，在環(huán)境溫度為29℃時(shí)進(jìn)行3次道路試驗(yàn)，試驗(yàn)工況包括怠速（工況1）、模擬爬坡（工況2）、高速行駛（工況3）、高速行駛熄火浸置（工況4）、最大功率（工況5）、最大扭矩低轉(zhuǎn)速點(diǎn)（工況6）、最大扭矩高轉(zhuǎn)速點(diǎn)（工況7）、最大功率熄火浸置（工況8）、最大扭矩低轉(zhuǎn)速點(diǎn)熄火浸置（工況9）和最大扭矩高轉(zhuǎn)速點(diǎn)熄火浸置工況（工況10），試驗(yàn)結(jié)果見圖2。由圖2可看出，臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)環(huán)境溫度為35℃時(shí)測(cè)得的液氣溫差要高于環(huán)境溫度為29℃時(shí)測(cè)得的液氣溫差，所以整車散熱系統(tǒng)在較低的環(huán)境溫度下將得到較低的液氣溫差[8]。目前重型汽車設(shè)計(jì)中以41℃作為車輛的極限使用環(huán)境溫度，顯然試驗(yàn)環(huán)境溫度越接近極限使用環(huán)境溫度，試驗(yàn)結(jié)果就越能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)散熱性能，所以在試驗(yàn)環(huán)境溫度為35℃時(shí)測(cè)得的結(jié)果更能正確評(píng)價(jià)散熱性能。另外，當(dāng)環(huán)境溫度為29℃時(shí)，臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得的液氣溫差略高于道路試驗(yàn)測(cè)得的液氣溫差，這表明臺(tái)架試驗(yàn)不易受到風(fēng)速、風(fēng)向、道

圖2　不同環(huán)境溫度下道路試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)的液氣溫差對(duì)比結(jié)果

從圖2還可看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速下，無論是道路試驗(yàn)還是臺(tái)架試驗(yàn)，低轉(zhuǎn)速點(diǎn)的液氣溫差要比高轉(zhuǎn)速點(diǎn)的高，說明低轉(zhuǎn)速點(diǎn)處散熱器散熱能力相對(duì)較差。所以考查發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速下散熱器的散熱能力時(shí)，應(yīng)該考慮發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩低轉(zhuǎn)速點(diǎn)工況。在發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速工況試驗(yàn)后進(jìn)行了熄火浸置工況試驗(yàn)，液氣溫差沒有升高，說明風(fēng)扇停轉(zhuǎn)后，冷卻系統(tǒng)散熱容量仍然足夠。在發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率轉(zhuǎn)速工況試驗(yàn)后進(jìn)行熄火浸置工況試驗(yàn)時(shí)，液氣溫差反而升高，使發(fā)動(dòng)機(jī)水溫存在接近廠家規(guī)定發(fā)動(dòng)機(jī)最高出水溫度的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2.2氣氣溫差的對(duì)比分析

由于發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后無進(jìn)氣，所以在發(fā)動(dòng)機(jī)熄火浸置工況下，對(duì)氣氣溫差數(shù)據(jù)不做分析。圖3為不同環(huán)境溫度下臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)所測(cè)定的氣氣溫差試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3　不同環(huán)境溫度下道路試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)的氣氣溫差對(duì)比結(jié)果

由圖3可看出，臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)的氣氣溫差在各工況下相差均較小。但是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性看，臺(tái)架試驗(yàn)要優(yōu)于道路試驗(yàn)。因?yàn)樵诘缆吩囼?yàn)時(shí)，駕駛員難以使發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在一個(gè)恒定的轉(zhuǎn)速下，風(fēng)速也會(huì)高低不定，所以導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

3.2.3極限工況下熱回流現(xiàn)象對(duì)比

圖4為在道路試驗(yàn)和臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)所測(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在最大功率點(diǎn)處的中冷器前方熱回流現(xiàn)象，圖中顏色愈深的區(qū)域表示中冷器相應(yīng)位置溫度愈高。試驗(yàn)結(jié)果表明，總體上回流現(xiàn)象不嚴(yán)重，回流主要分布在散熱模塊的中部和上部區(qū)域，可判斷出駕駛室前圍柵板導(dǎo)致了中部熱回流，而模塊上部的高溫則主要是因?yàn)榭拷欣淦鬟M(jìn)氣口造成的。

圖4　不同環(huán)境溫度下道路試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)熱回流現(xiàn)象對(duì)比

從試驗(yàn)效果看，道路試驗(yàn)中顯示的熱回流區(qū)域面積比較小且范圍松散，這應(yīng)歸結(jié)于道路試驗(yàn)時(shí)環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)向的不穩(wěn)定，道路試驗(yàn)結(jié)果的這種特性不利于判斷中冷器前方的熱回流部位。

以上分析表明，臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)得的液氣溫差要大于道路試驗(yàn)測(cè)得的液氣溫差，也就是道路試驗(yàn)表現(xiàn)出車輛的極限使用溫度更高一些。其原因在于，車輛在實(shí)際使用中，散熱器的散熱帶難免進(jìn)入灰塵，冷卻液也難免混入雜質(zhì)，二者均使散熱能力略有下降。鑒于上述分析可認(rèn)為，雖然臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出車輛的極限使用溫度略低于道路試驗(yàn)，但選用臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果可使設(shè)計(jì)安全裕度趨于保守一些。另外，臺(tái)架試驗(yàn)在試驗(yàn)實(shí)施時(shí)沒有空間和時(shí)間的限制，試驗(yàn)周期短，有利于跟進(jìn)產(chǎn)品的開發(fā)進(jìn)度。

4　結(jié)束語

本文對(duì)重型汽車整車熱平衡臺(tái)架試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究。結(jié)合車輛實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，對(duì)臺(tái)架試驗(yàn)的試驗(yàn)條件作出相應(yīng)規(guī)定，以確保模擬環(huán)境盡可能接近實(shí)際的極限環(huán)境。對(duì)道路試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的工況進(jìn)行了擴(kuò)充，確定了臺(tái)架試驗(yàn)工況。以液氣溫差、氣氣溫差和熱回流部位為指標(biāo)，將整車熱平衡臺(tái)架試驗(yàn)的結(jié)果與道路試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，二者試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性驗(yàn)證了臺(tái)架試驗(yàn)的合理性、可行性與應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

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（責(zé)任編輯文楫）

修改稿收到日期為2015年8月27日。

Research on Thermal Balance Bench Test Method of Heavy Duty Trucks

Cui Qiming1,Hou Zhichao2,Wang Yongfei1,Zhang Yong2,Liu Yi3
（1.BEIBEN Trucks Group Co.,Ltd,Baotou 014032;2.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing 100084;3.Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003）

【Abstract】In this research,vehicle thermal balance bench test method is studied with a heavy duty vehicle as example.Combined with vehicle practical operating conditions,bench test conditions are defined,and bench test cycles are defined based on the extension of the operating cycles specified in the road test criteria,and comparisons is made and analyzed between vehicle road test and bench test,which shows that the bench test results agree well with that of road test, proving feasibility,rationality and application advantage of bench test after modification.

Key words:Heavy duty truck,Vehicle thermal balance,Bench test

中圖分類號(hào):U461.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000-3703（2016）03-0052-05