重型汽車整車熱平衡臺架試驗方法研究

崔啟明　侯之超　王永飛　張勇　劉藝（.北奔重型汽車集團有限公司，包頭040；.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，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架試驗方法研究

崔啟明1侯之超2王永飛1張勇2劉藝3
（1.北奔重型汽車集團有限公司，包頭014032；2.清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室，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，對整車熱平衡臺架試驗方法進行了研究。結(jié)合車輛實際運行環(huán)境確定了臺架試驗條件，通過對道路試驗標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的工況進行擴充確定了臺架試驗工況，并分別進行了實車道路試驗與臺架試驗對比分析。結(jié)果表明，臺架試驗結(jié)果與道路試驗結(jié)果的一致性較好，證實了擴允改進后臺架試驗的可行性、合理性以及應(yīng)用優(yōu)勢。

主題詞:重型汽車整車熱平衡臺架試驗

1　前言

重型汽車由于使用環(huán)境惡劣，發(fā)動機長時間工作在極限工況，因而對冷卻系統(tǒng)的散熱能力提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，為此，需要從系統(tǒng)集成和整車角度對冷卻系統(tǒng)的散熱能力進行考核[1]。目前，國外已經(jīng)建立了優(yōu)化發(fā)動機運行的整車熱管理系統(tǒng)，我國相關(guān)部門也按著國家標(biāo)準(zhǔn)開展了整車熱平衡試驗，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，對整車熱平衡的試驗研究包括道路試驗和臺架試驗兩種方式。雖然道路試驗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)動機能長時間穩(wěn)定在極限工況下，因此在考核整車熱負荷的極限溫度時存在偏差[8]；而臺架試驗相對道路試驗具有周期短、不受地域和時間限制的優(yōu)勢，試驗結(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行熱管理風(fēng)洞道路模擬臺架試驗，并通過與道路試驗結(jié)果的對比，驗證臺架試驗的合理性和可行性。

2　試驗方法

試驗在裝配有底盤測功機的熱環(huán)境風(fēng)洞中進行，試驗系統(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，底盤測功機可以準(zhǔn)確模擬負載，使發(fā)動機能夠快速穩(wěn)定在測試工況。

圖1　試驗系統(tǒng)示意

表1熱環(huán)境風(fēng)洞相關(guān)參數(shù)

底盤測功機為雙滾筒結(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，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，可為被測車輛提供精確的道路負載，試驗車輛為某6×4重型汽車，其相關(guān)參數(shù)見表2。

測試系統(tǒng)包括各類傳感器和數(shù)據(jù)采集儀，用于對整車散熱系統(tǒng)熱平衡試驗進行以下測試。

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

表2試驗車輛參數(shù)

b.中冷器對增壓后的空氣既要有足夠的散熱能力，同時對空氣的流通阻力也應(yīng)足夠小，所以需要測量中冷器進、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，需要測量中冷器前方空氣溫度。

e.試驗過程中，為監(jiān)測發(fā)動機水泵的工作狀態(tài)，需要測量發(fā)動機出水口流量。

根據(jù)試驗?zāi)康暮蛙囕v結(jié)構(gòu)，傳感器參數(shù)及測點布置要求見表3，共79個通道。測試系統(tǒng)采樣率設(shè)置為0.5 Hz。

2.1試驗條件

結(jié)合車輛實際使用工況，試驗條件應(yīng)滿足如下要求。

a.環(huán)境溫度應(yīng)為35±0.5℃；

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

c.在發(fā)動機最大扭矩轉(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)動機的負荷。

以上試驗條件中溫度的設(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。但對于汽車?yán)鋮s系統(tǒng)，由于發(fā)動機艙內(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，機油和冷卻液溫度會比環(huán)境溫度上升的更快，發(fā)動機出水溫度與環(huán)境溫度的差值就會增大，散熱器散熱性能將會下降。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，這也是道路試驗時經(jīng)常出現(xiàn)的問題。因此，只有試驗環(huán)境溫度與極限環(huán)境溫度相接近時，才能得到符合實際使用環(huán)境的試驗結(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。這是因為如果冷卻系統(tǒng)散熱能力不合格，試驗時容易使發(fā)動機過熱甚至燒毀。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試驗工況

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

對于道路試驗，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12542—2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》中規(guī)定了6個工況，包括發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速工況、發(fā)動機額定功率轉(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)動機怠速工況等。在臺架試驗中，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)車輛的實際使用情況對該標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的兩個工況進行了細分和組合，得到了4個新工況，這樣臺架試驗共為10個工況。因發(fā)動機熄火后無進氣，所以只選取其中5個工況對中冷器進行分析。

發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速是一個區(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)速點下進行試驗，因而通常采用高轉(zhuǎn)速點進行試驗。但車輛實際使用中，最大扭矩對應(yīng)區(qū)間轉(zhuǎn)速的低轉(zhuǎn)速點也容易出現(xiàn)高溫情況，因為此時風(fēng)扇轉(zhuǎn)速較低，減弱了散熱能力。為此，在臺架試驗中，將標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12542—2009中發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速工況分為最大扭矩低轉(zhuǎn)速點和最大扭矩高轉(zhuǎn)速點兩個工況。

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持續(xù)升溫。在實際使用中，雖然車輛熄火后冷卻風(fēng)扇停止工作，但冷卻液有時還會持續(xù)升溫，所以試驗中應(yīng)考慮在發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速工況和發(fā)動機額定功率轉(zhuǎn)速工況試驗后進行熄火浸置工況的試驗，這樣就增加了最大扭矩低轉(zhuǎn)速點熄火浸置、最大扭矩高轉(zhuǎn)速點熄火浸置和發(fā)動機額定功率轉(zhuǎn)速熄火浸置等3個試驗工況。

3　評價指標(biāo)與試驗結(jié)果分析

3.1評價指標(biāo)

對于冷卻系統(tǒng)散熱能力的評價，采用“液氣溫差”和“氣氣溫差”作為其評價指標(biāo)。

a.液氣溫差是指發(fā)動機熱平衡時發(fā)動機出水溫度與環(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。

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)動機進氣量就越高，越有利于提高發(fā)動機功率。

另外，散熱器表面的冷卻空氣在發(fā)動機艙內(nèi)回流、滯留、加熱冷卻氣流，會造成機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，這是一個輔助評價指標(biāo)。

3.2對比分析

針對目標(biāo)車輛進行了道路試驗和臺架試驗，兩種試驗的試驗工況相同，不僅包含標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12542—2009中規(guī)定的6個工況，又補加了4個新工況。利用3種評價指標(biāo)對臺架試驗和道路試驗的試驗結(jié)果進行對比分析。

3.2.1液氣溫差的對比分析

在環(huán)境溫度分別為35℃和29℃時各進行5次臺架試驗，在環(huán)境溫度為29℃時進行3次道路試驗，試驗工況包括怠速（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（工況6）、最大扭矩高轉(zhuǎn)速點（工況7）、最大功率熄火浸置（工況8）、最大扭矩低轉(zhuǎn)速點熄火浸置（工況9）和最大扭矩高轉(zhuǎn)速點熄火浸置工況（工況10），試驗結(jié)果見圖2。由圖2可看出，臺架試驗時，當(dāng)環(huán)境溫度為35℃時測得的液氣溫差要高于環(huán)境溫度為29℃時測得的液氣溫差，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)計中以41℃作為車輛的極限使用環(huán)境溫度，顯然試驗環(huán)境溫度越接近極限使用環(huán)境溫度，試驗結(jié)果就越能準(zhǔn)確評價散熱性能，所以在試驗環(huán)境溫度為35℃時測得的結(jié)果更能正確評價散熱性能。另外，當(dāng)環(huán)境溫度為29℃時，臺架試驗測得的液氣溫差略高于道路試驗測得的液氣溫差，這表明臺架試驗不易受到風(fēng)速、風(fēng)向、道

圖2　不同環(huán)境溫度下道路試驗與臺架試驗的液氣溫差對比結(jié)果

從圖2還可看出，在發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速下，無論是道路試驗還是臺架試驗，低轉(zhuǎn)速點的液氣溫差要比高轉(zhuǎn)速點的高，說明低轉(zhuǎn)速點處散熱器散熱能力相對較差。所以考查發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速下散熱器的散熱能力時，應(yīng)該考慮發(fā)動機最大扭矩低轉(zhuǎn)速點工況。在發(fā)動機最大扭矩轉(zhuǎn)速工況試驗后進行了熄火浸置工況試驗，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)動機最大功率轉(zhuǎn)速工況試驗后進行熄火浸置工況試驗時，液氣溫差反而升高，使發(fā)動機水溫存在接近廠家規(guī)定發(fā)動機最高出水溫度的風(fēng)險。

3.2.2氣氣溫差的對比分析

由于發(fā)動機熄火后無進氣，所以在發(fā)動機熄火浸置工況下，對氣氣溫差數(shù)據(jù)不做分析。圖3為不同環(huán)境溫度下臺架試驗和道路試驗所測定的氣氣溫差試驗數(shù)據(jù)。

圖3　不同環(huán)境溫度下道路試驗與臺架試驗的氣氣溫差對比結(jié)果

由圖3可看出，臺架試驗和道路試驗的氣氣溫差在各工況下相差均較小。但是從試驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性看，臺架試驗要優(yōu)于道路試驗。因為在道路試驗時，駕駛員難以使發(fā)動機穩(wěn)定在一個恒定的轉(zhuǎn)速下，風(fēng)速也會高低不定，所以導(dǎo)致試驗數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

3.2.3極限工況下熱回流現(xiàn)象對比

圖4為在道路試驗和臺架試驗時所測的發(fā)動機轉(zhuǎn)速在最大功率點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為靠近中冷器進氣口造成的。

圖4　不同環(huán)境溫度下道路試驗與臺架試驗熱回流現(xiàn)象對比

從試驗效果看，道路試驗中顯示的熱回流區(qū)域面積比較小且范圍松散，這應(yīng)歸結(jié)于道路試驗時環(huán)境風(fēng)速和風(fēng)向的不穩(wěn)定，道路試驗結(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，臺架試驗測得的液氣溫差要大于道路試驗測得的液氣溫差，也就是道路試驗表現(xiàn)出車輛的極限使用溫度更高一些。其原因在于，車輛在實際使用中，散熱器的散熱帶難免進入灰塵，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，雖然臺架試驗結(jié)果表現(xiàn)出車輛的極限使用溫度略低于道路試驗，但選用臺架試驗結(jié)果可使設(shè)計安全裕度趨于保守一些。另外，臺架試驗在試驗實施時沒有空間和時間的限制，試驗周期短，有利于跟進產(chǎn)品的開發(fā)進度。

4　結(jié)束語

本文對重型汽車整車熱平衡臺架試驗方法進行了研究。結(jié)合車輛實際運行環(huán)境，對臺架試驗的試驗條件作出相應(yīng)規(guī)定，以確保模擬環(huán)境盡可能接近實際的極限環(huán)境。對道路試驗標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的工況進行了擴充，確定了臺架試驗工況。以液氣溫差、氣氣溫差和熱回流部位為指標(biāo)，將整車熱平衡臺架試驗的結(jié)果與道路試驗結(jié)果進行對比分析，二者試驗數(shù)據(jù)的一致性驗證了臺架試驗的合理性、可行性與應(yīng)用優(yōu)勢。

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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:U461.8

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）03-0052-05