某天然氣發(fā)動機重卡整車熱平衡試驗分析

◎文/唐飛 王永攀 張猛（華菱星馬汽車〈集團(tuán)〉股份有限公司安徽重型專用車發(fā)動機安徽省重點試驗室）

在世界性石油資源日益枯竭以及全球性污染不斷加劇的形勢下，發(fā)展天然氣汽車是實現(xiàn)節(jié)能減排的更好途徑，開展天然氣汽車相關(guān)性能研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。整車?yán)鋮s系統(tǒng)是汽車一個重要組成部分，對汽車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性有很大的影響，其作用是確保發(fā)動機在任何工況下均能滿足整車熱平衡的要求。隨著研發(fā)水平不斷提升，在汽車開發(fā)階段利用試驗手段進(jìn)行整車熱平衡試驗，測試整車?yán)鋮s系統(tǒng)在極限工況下的各項參數(shù)，可有效確認(rèn)發(fā)動機是否存在過熱問題，及時對冷卻系統(tǒng)的性能進(jìn)行改進(jìn)，從而縮短開發(fā)周期。

目前，研究整車?yán)鋮s系統(tǒng)散熱性能的試驗，基本上是通過整車道路試驗或轉(zhuǎn)鼓試驗完成。使用較多的試驗方法有負(fù)荷拖車牽引試驗法、爬長緩坡行駛試驗法和轉(zhuǎn)鼓試驗法。由于整車道路試驗方法受氣候條件、場地條件、人為因素控制條件等多方面因素的影響，尤其是受到道路狀況的限制，很難進(jìn)行長時間、長距離坡道行駛，無法保證發(fā)動機在最大轉(zhuǎn)矩點和額定功率點長時間運行并達(dá)到運行工況的熱平衡狀態(tài)。而轉(zhuǎn)鼓試驗法使用載荷控制模式，通過恒定車速控制，同時模擬使用環(huán)境，使發(fā)動機在規(guī)定的極限工況下運行并達(dá)到穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài)。此外，為使試驗車輛發(fā)動機獲得汽車正常行駛時迎風(fēng)的冷卻條件，使用了風(fēng)洞以汽車行駛時吹向發(fā)動機的風(fēng)速向汽車正面送風(fēng)。因為室內(nèi)試驗條件容易控制，干擾因素較少，試驗結(jié)果不受道路和氣候條件的影響，試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。由于天然氣的熱負(fù)荷比柴油要高，因此天然氣發(fā)動機整車?yán)鋮s系統(tǒng)熱平衡試驗面臨著更大的挑戰(zhàn)。本文以某天然氣發(fā)動機重型卡車整車?yán)鋮s系統(tǒng)熱平衡轉(zhuǎn)鼓試驗為基礎(chǔ)，對該車型的冷卻系統(tǒng)進(jìn)行評估，通過試驗數(shù)據(jù)的對比分析，能夠快速評價整車?yán)鋮s系統(tǒng)的適應(yīng)能力。

本次試驗在裝配有轉(zhuǎn)鼓試驗臺的熱環(huán)境風(fēng)洞中進(jìn)行，轉(zhuǎn)鼓臺為雙滾筒結(jié)構(gòu)（轉(zhuǎn)鼓直徑1905mm，鼓面寬度1050mm，鼓外側(cè)距3000mm，鼓內(nèi)側(cè)距900mm），安裝在地面下，為被測車輛提供精確的道路負(fù)載模擬，再現(xiàn)被測車輛在真實路面上的行駛情況。試驗時車輛駛上轉(zhuǎn)鼓并對中，然后用固緊裝置約束車輛，確認(rèn)無誤后測試設(shè)備將模擬實際道路狀況如車速、扭矩、道路載荷等，使車輛在與實際道路行駛相同的條件下進(jìn)行試驗。

一、車輛準(zhǔn)備

本試驗車輛信息：6X4牽引車（總質(zhì)量49t），漢馬動力天然氣發(fā)動機（額定功率255kW），法士特變速箱（12擋），LNG，散熱中冷總成A，散熱中冷總成B。

1.節(jié)溫器

節(jié)溫器的主要作用是跟據(jù)冷卻液溫度的高低自動調(diào)節(jié)進(jìn)入散熱器的冷卻液流量，改變冷卻液的循環(huán)范圍，實現(xiàn)調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的散熱能力，保證發(fā)動機在合適的溫度范圍內(nèi)工作。發(fā)動機運行時節(jié)溫器必須保持良好的技術(shù)狀態(tài)，否則會嚴(yán)重影響發(fā)動機的正常工作。如節(jié)溫器閥門開啟時間過遲，會引起發(fā)動機過熱；閥門開啟時間過早，則使發(fā)動機預(yù)熱時間延長，會使發(fā)動機溫度過低。在冷卻液低于70℃時，節(jié)溫器閥門關(guān)閉，發(fā)動機冷卻液按照小循環(huán)路徑僅在發(fā)動機內(nèi)部流動；當(dāng)水溫高于80℃時，節(jié)溫器閥門逐漸打開，散熱器內(nèi)的冷卻液開始流動，至85℃時閥門半開，到95℃時閥門全開，發(fā)動機冷卻液按照大循環(huán)路徑同時在發(fā)動機和散熱器內(nèi)部流動。

在整車熱平衡試驗時，節(jié)溫器必須整改成強制全開狀態(tài)，以確保試驗過程中發(fā)動機冷卻系統(tǒng)的冷卻液始終能經(jīng)過節(jié)溫器進(jìn)入散熱器，再經(jīng)散熱器回到發(fā)動機，使之按大循環(huán)閉合路徑循環(huán)流動，以保證車輛達(dá)到最大冷卻效能。

2.冷卻風(fēng)扇

發(fā)動機冷卻風(fēng)扇是車輛冷卻系統(tǒng)的重要組成部分，主要有剛性傳動和電子硅油離合器傳動兩種形式。電子硅油離合器風(fēng)扇通過雙金屬感溫元件實現(xiàn)由溫度控制風(fēng)扇工作，所以不僅有節(jié)能的效果，還能保證發(fā)動機有良好的熱狀態(tài)，對發(fā)動機的運行和使用壽命延長都有好處。

試驗過程中，需將電子硅油離合器粘性傳動風(fēng)扇整改為剛性傳動風(fēng)扇，以確保發(fā)動機冷卻風(fēng)扇隨發(fā)動機常轉(zhuǎn)，使冷卻系統(tǒng)保持最大冷卻效能。

3.整車配重

為使試驗車輛在轉(zhuǎn)鼓臺上能穩(wěn)定運行，即車輪在轉(zhuǎn)鼓上不發(fā)生徑向跳動、滑移和跑偏，需要調(diào)節(jié)整車配重，但本次試驗車輛后橋軸荷6t，轉(zhuǎn)鼓摩擦系數(shù)0.8，轉(zhuǎn)鼓牽引力30kN，一般使靜摩擦力大于1.5倍轉(zhuǎn)鼓牽引力，即可避免輪胎在轉(zhuǎn)鼓上運行時打滑，所以不需要進(jìn)行配重。

4.輪胎

試驗前必須更換新輪胎，因為試驗時輪胎與轉(zhuǎn)鼓間的相對摩擦?xí)铀佥喬ケ砻婺p，采用表面己經(jīng)磨損的舊輪胎會使輪胎爆胎。輪胎充氣壓力對試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有較大影響，因此試臉必須檢查輪胎氣壓，保證符合該車的技術(shù)條件規(guī)定，本試驗車輛輪胎規(guī)格為12R22.5。

5.車輛在轉(zhuǎn)鼓臺上的安裝

調(diào)整車輛的位置，將車輛前后兩橋置于轉(zhuǎn)鼓臺架的中線上，并且車頭的位置距離風(fēng)洞出風(fēng)口3m處，風(fēng)口中心對準(zhǔn)汽車縱向?qū)ΨQ平面，用鋼索將車輛從不同方向固定在反力架上。

表1 傳感器型號及布置表

二、試驗系統(tǒng)搭建

本試驗系統(tǒng)是通過在實車上安裝傳感器建立試驗平臺。主要試驗設(shè)備包括壓力傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀等，根據(jù)車輛結(jié)構(gòu)和具體的試驗要求，對各測量點進(jìn)行合理布置，進(jìn)行全面測量。

1.測點布置

進(jìn)行整車熱平衡試驗時，主要監(jiān)測參數(shù)有大氣溫度、空濾器進(jìn)氣溫度、散熱器進(jìn)水溫度、散熱器出水溫度、中冷器進(jìn)氣溫度、中冷器出氣溫度、散熱器進(jìn)水壓力、散熱器出水壓力、中冷器進(jìn)氣壓力、中冷器出氣壓力、增壓器進(jìn)氣壓力、排氣背壓、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、發(fā)動機扭矩、機油溫度等。各監(jiān)測點傳感器布置見表1要求。

各測點傳感器在整車?yán)鋮s系統(tǒng)上的布置如圖1所示。

圖1 傳感器布置示意圖

2.傳感器的安裝

本試驗中中冷器進(jìn)氣口和出氣口分別布置溫度傳感器和壓力傳感器，測點位置位于中冷器進(jìn)、出氣口300mm內(nèi)，測定點處的管徑等于進(jìn)、出氣管管徑，安裝時需要提前在管壁鉆孔并將傳感器接頭焊接在孔上。由于中冷器進(jìn)氣口和出氣口的溫度是考察中冷器散熱能力的重要監(jiān)測參數(shù)，因此溫度傳感器必須選擇精度較高的熱電阻傳感器。

散熱器進(jìn)、出水溫度和壓力是評價冷卻系統(tǒng)散熱性能的重要參數(shù)，因此必須在散熱器進(jìn)水口和出水口布置溫度傳感器和壓力傳感器，測點位置位于散熱器進(jìn)、出水口300mm內(nèi)，該溫度傳感器也必須選擇精度較高的熱電阻傳感器。

三、試驗條件

環(huán)境溫度：大于25℃。迎面風(fēng)速：與車輛在實際道路行駛情況對應(yīng)，以車頭前1m處實測值為準(zhǔn)；在最大功率點的模擬風(fēng)速為25km/h，在最大扭矩點的模擬風(fēng)速為10km/h。發(fā)動機節(jié)溫器狀態(tài)：全開狀態(tài)。電子硅油離合器風(fēng)扇：斷電直連，目的是使冷卻系統(tǒng)保持最大冷卻效能。尾氣排出方式：真空抽排。加速油門踏板位置：最大行程位置。載荷控制模式：恒定車速控制，車輛模擬載荷為滿載狀態(tài)?？照{(diào)：試驗時空調(diào)使用外循環(huán)，溫度調(diào)節(jié)開關(guān)置于最大冷卻模式，風(fēng)量調(diào)節(jié)開關(guān)置于最大位，達(dá)到最大制冷量。試驗工況：最大扭矩點1450r/min，最大功率點1900 r/min。車輛試驗時使用檔位為直接擋，即變速箱傳動速比為1.0。確保車輛無限扭等異常狀況。

四、試驗過程

試驗要求風(fēng)速穩(wěn)定在試驗要求的狀態(tài)下，即最大扭矩點工況10km/h，最大功率點工況25km/h。預(yù)熱試驗車輛首先使其性能處在正常運行時的穩(wěn)定狀態(tài)，再將發(fā)動機的水溫預(yù)熱到正常行駛狀態(tài)下的溫度(80～90℃)。轉(zhuǎn)鼓臺架的預(yù)熱主要是為了使各機械部件之間的內(nèi)摩擦趨于穩(wěn)定，以免影響測試結(jié)果。

按照極限使用工況的要求進(jìn)行試驗，即發(fā)動機在滿載情況下工作在最大扭矩點和最大功率點的工況，通過轉(zhuǎn)鼓逐步對汽車施加載荷，汽車以直接擋、油門踏板達(dá)到全開的狀態(tài)行駛，控制汽車發(fā)動機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在規(guī)定轉(zhuǎn)速區(qū)間，偏差在±2%或±50r/min（取兩者中較大值），保持穩(wěn)定狀態(tài)，以1Hz頻率采集各實驗工況數(shù)據(jù)，當(dāng)連續(xù)5min各冷卻介質(zhì)溫度與環(huán)境溫度的差值無升高趨勢且變化均在±0.5℃以內(nèi)時，即認(rèn)為車輛達(dá)到熱平衡狀態(tài)。此后，應(yīng)繼續(xù)采集熱平衡狀態(tài)下的數(shù)據(jù)至少5min，測試結(jié)束。

五、試驗結(jié)果評價和分析

1.評價指標(biāo)

對冷卻系統(tǒng)散熱能力的評價，一般以整車熱平衡時的發(fā)動機出水溫度與環(huán)境溫度的差值（液氣溫差）、中冷器出氣溫度與環(huán)境溫度的差值（氣氣溫差）、中冷器壓降、極限使用許用環(huán)境溫度等參數(shù)作為汽車?yán)鋮s系統(tǒng)適應(yīng)能力的評價指標(biāo)。而其他監(jiān)測參數(shù)主要用來了解發(fā)動機各相關(guān)系統(tǒng)的工作溫度和壓力情況，是否滿足使發(fā)動機正常工作的狀態(tài)。各項評價指標(biāo)的意義如下：液氣溫差設(shè)計值為60℃，氣氣溫差設(shè)計值為25℃，中冷器壓降設(shè)計值不大于13 kPa，極限使用許用環(huán)境溫度設(shè)計值為1℃，許用環(huán)境溫度計算方法為試驗測得最高穩(wěn)定出水溫度與試驗時的環(huán)境溫度的差值被最高允許出水溫度相減所得值。

2.試驗結(jié)果分析

數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，取各工況點的穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，試驗結(jié)果如表2所示，其中A為裝配原散熱中冷總成，B為裝配改進(jìn)后散熱中冷總成。

表2 試驗結(jié)果

該車輛發(fā)動機在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速區(qū)和額定轉(zhuǎn)速區(qū)滿負(fù)荷運行，所測得的液氣溫差和氣氣溫差顯示，該車型匹配的散熱中冷總成A不滿足設(shè)計目標(biāo)，通過對該車型匹配的散熱中冷總成進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對裝配改進(jìn)后散熱中冷總成B再次進(jìn)行測試，其值達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。根據(jù)經(jīng)驗，重型車輛在低速滿負(fù)荷工況下運行，是最考驗整車?yán)鋮s系統(tǒng)的時候，此時雖然發(fā)動機需要冷卻液散發(fā)的熱量稍低于額定轉(zhuǎn)速下冷卻液散發(fā)的熱量，但因發(fā)動機轉(zhuǎn)速更低，相對應(yīng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速也較低，冷卻風(fēng)量則較小。該車輛測試中監(jiān)測的液氣溫差、氣氣溫差數(shù)據(jù)也印證了這一點（見圖2）。

圖2 各工況下散熱能力對比結(jié)果

圖3 各工況下中冷器壓降和增壓器進(jìn)氣阻力對比結(jié)果

圖4 各工況下防熱回風(fēng)效果對比結(jié)果

通常要求增壓器進(jìn)氣阻力即整車進(jìn)氣道與空氣濾清器的進(jìn)氣阻力保持基本穩(wěn)定，一般不超過-4kPa，該車輛實測值滿足要求，有利于保障增壓器的性能；同時，中冷器前后進(jìn)氣壓降遠(yuǎn)低于目標(biāo)值13kPa，完全符合設(shè)計期望值，測試結(jié)果如圖3所示。

從測試數(shù)據(jù)中還可以看出，該車型中冷前空氣溫度（中冷器芯體前溫度）與環(huán)境溫度差別不大，反映出該車型防熱回風(fēng)處理的比較好?！碍h(huán)境溫度”“中冷器芯體前溫度”兩項監(jiān)測值，隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高、發(fā)動機散熱量總值的升高而有小幅升高，而其升高的幅度（溫升）與轉(zhuǎn)速升高呈反比下降趨勢，則側(cè)面反映出此車輛因風(fēng)扇轉(zhuǎn)速升高，有效通過散熱中冷總成模塊的有效冷卻風(fēng)量增大，因熱傳導(dǎo)而升高的溫度增加趨勢變緩，其對比見圖4。

測試數(shù)據(jù)表明，在極限使用工況下，裝配原散熱中冷總成A的極限使用許用環(huán)境溫度只有39.1℃，不能滿足設(shè)計要求，而改進(jìn)后的散熱中冷總成B的極限使用許用環(huán)境溫度達(dá)到了44.9℃，滿足設(shè)計要求。

由此可見，通過整車熱平衡轉(zhuǎn)鼓試驗法能夠有效地評價試驗車輛冷卻系統(tǒng)在極限工況下的散熱能力，還可以快速評價整車?yán)鋮s系統(tǒng)的適應(yīng)能力，為汽車?yán)鋮s系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)提供了快速、有效的驗證手段。