重型卡車熱平衡道路試驗(yàn)細(xì)節(jié)探討

薛黎明　張濤　王東亮　敖娜娜

摘 要：目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于整車熱平衡試驗(yàn)的研究主要偏向于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的匹配分析與熱平衡性能的改善，而對(duì)一些常見的影響熱平衡試驗(yàn)的細(xì)節(jié)問題沒有引起足夠的重視，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的有效性、準(zhǔn)確性大打折扣。以重型卡車為例，對(duì)整車熱平衡道路試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)故障、節(jié)溫器、風(fēng)扇離合器、傳感器布置、環(huán)境風(fēng)速、試驗(yàn)操作、結(jié)果評(píng)價(jià)與修正等細(xì)節(jié)問題進(jìn)行探討，對(duì)整車熱平衡道路試驗(yàn)的試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法、試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)與修正進(jìn)行了補(bǔ)充。

關(guān)鍵詞：重型卡車 熱平衡 道路試驗(yàn) 冷卻性能 風(fēng)扇離合器

Discussion on details of heat balance road test for heavy truck

Xue Liming Zhang Tao Wang Dongliang Ao Nana

Abstract：At present， the domestic research on vehicle thermal balance test mainly focuses on the matching analysis of engine cooling system and the improvement of thermal balance performance， but not enough attention has been paid to some common details affecting the thermal balance test， which leads to the reduction of the validity and accuracy of the test results. Taking the heavy truck as an example， the details of engine failure， thermostat， fan clutch， sensor layout， ambient wind speed， test operation， result evaluation and correction in the process of vehicle thermal balance road test are discussed， and the test conditions， test methods， test results evaluation and correction are supplemented.

Key words：Heavy truck， heat balance， road test， cooling performance， fan clutch

1 前言

汽車?yán)鋮s系統(tǒng)應(yīng)能保證發(fā)動(dòng)機(jī)在各種工況下的散熱需求，而冷卻系統(tǒng)的散熱性能需要通過熱平衡試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)?，F(xiàn)行的熱平衡試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 12542-2009《汽車熱平衡能力道路試驗(yàn)方法》，規(guī)定了整車熱平衡試驗(yàn)的試驗(yàn)條件與試驗(yàn)方法[1]。

以重型卡車為例，對(duì)整車熱平衡道路試驗(yàn)過程中細(xì)節(jié)問題進(jìn)行探討，為整車制造企業(yè)制訂更加科學(xué)、有效、合理、可操作的熱平衡試驗(yàn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)故障

電控柴油噴射系統(tǒng)通過許多傳感器檢測(cè)柴油機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和環(huán)境條件，并由電控單元計(jì)算出適應(yīng)當(dāng)前運(yùn)行狀況的控制量，然后由執(zhí)行器實(shí)施。如果發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行環(huán)境出現(xiàn)故障，或發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量環(huán)境的傳感器出現(xiàn)故障，發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元會(huì)采取“限扭”對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)本體進(jìn)行保護(hù)。另外，因后處理故障導(dǎo)致排放超標(biāo)也會(huì)引起發(fā)動(dòng)機(jī)限扭[2]。發(fā)動(dòng)機(jī)限扭狀態(tài)下采集的熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是無意義的。

根據(jù)大量試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩與最大功率工況，扭矩百分比應(yīng)達(dá)到85～100%，中冷進(jìn)氣壓力應(yīng)達(dá)到150～200kPa，中冷進(jìn)氣溫度應(yīng)達(dá)到150～200℃，否則發(fā)動(dòng)機(jī)存在限扭的可能。因此，在熱平衡試驗(yàn)前需確認(rèn)試驗(yàn)車輛是否存在發(fā)動(dòng)機(jī)故障并及時(shí)將故障處理關(guān)閉。

3 節(jié)溫器

節(jié)溫器是控制冷卻液流動(dòng)路徑的閥門。節(jié)溫器的主要作用是根據(jù)冷卻液溫度的高低自動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻液的循環(huán)范圍，保證發(fā)動(dòng)機(jī)始終在合適的溫度范圍內(nèi)工作。目前廣泛采用的是蠟式節(jié)溫器，裝在缸蓋水套出水口處[3]。

熱平衡試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)確保冷卻液始終經(jīng)過散熱器，按大循環(huán)路徑流動(dòng)，以保證車輛達(dá)到最大冷卻效能?？梢圆鸪?jié)溫器，利用錐形木塞封堵小循環(huán)路徑。安裝木塞時(shí)，還應(yīng)將木塞沿垂直向下方向稍用力錘緊，防止冷卻液在水泵增壓作用下，將木塞沖掉，導(dǎo)致通往散熱器的大循環(huán)路徑堵塞，引起試驗(yàn)時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)“開鍋”，導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

4 風(fēng)扇離合器

為降低冷卻風(fēng)扇功率消耗，防止發(fā)動(dòng)機(jī)過冷，汽車多采用風(fēng)扇離合器來控制冷卻風(fēng)扇的冷卻風(fēng)量[4]。在熱平衡試驗(yàn)前，需將冷卻風(fēng)扇由離合器傳動(dòng)整改為剛性傳動(dòng)，使冷卻系統(tǒng)始終保持最大冷卻效能。

4.1 機(jī)械硅油離合器

機(jī)械硅油離合器大多采用雙金屬感溫圈控制。當(dāng)流經(jīng)散熱器的空氣溫度升高時(shí)，雙金屬感溫圈受熱變形，迫使閥片軸轉(zhuǎn)動(dòng)，高黏度硅油便流入工作腔，離合器接合，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速升高。熱平衡試驗(yàn)前，需將風(fēng)扇前端雙金屬螺旋彈簧直段從固定槽中撬出，按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，觀察轉(zhuǎn)軸，應(yīng)能轉(zhuǎn)動(dòng)，直到轉(zhuǎn)不動(dòng)為止。

4.2 電控硅油離合器

電控硅油離合器作為機(jī)械硅油離合器的升級(jí)產(chǎn)品，不同的是由帶有電磁線圈的電磁閥門取代機(jī)械硅油離合器熱敏雙金屬感溫閥門。它直接讀取發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊ECU信號(hào)，由離合器內(nèi)部電磁閥根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度控制冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速。

熱平衡試驗(yàn)前，需拔掉電控硅油離合器控制線束插件，將風(fēng)扇改為剛性連接。

4.3 電磁離合器

電磁離合器通過溫控開關(guān)自動(dòng)控制風(fēng)扇吸合、分離。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，風(fēng)扇在軸承慣性作用下空轉(zhuǎn)。當(dāng)水溫升高到規(guī)定溫度，溫控開關(guān)閉合導(dǎo)通電路，離合器產(chǎn)生磁力帶動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，使水溫快速下降。熱平衡試驗(yàn)前，需用梅花扳手或套筒，利用3顆M6螺栓，將鎖緊片對(duì)準(zhǔn)傳動(dòng)盤螺紋孔，扭緊3顆M6螺栓，扭緊力矩為8～9Nm，同時(shí)拔出電磁離合器控制線束插件。

若未按以上操作將冷卻風(fēng)扇由離合器傳動(dòng)整改為剛性傳動(dòng)，試驗(yàn)過程中發(fā)動(dòng)機(jī)出水溫度將無法穩(wěn)定，數(shù)據(jù)曲線呈波浪形，整車將無法達(dá)到熱平衡狀態(tài)，最終導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

5 傳感器布置

5.1 中冷壓力與溫度傳感器

在選擇傳感器安裝位置時(shí)，應(yīng)注意留有足夠的空間，防止與周圍部件干涉，同時(shí)應(yīng)與增壓器等高溫部件保持距離，避免傳感器損壞。測(cè)點(diǎn)的位置盡量選擇在直管段，即不在彎折、變截面的地方，同時(shí)應(yīng)將壓力測(cè)點(diǎn)布置在溫度測(cè)點(diǎn)的上游，以免溫度傳感器探針擾亂氣流而影響壓力測(cè)量結(jié)果。

5.2 冷卻液溫度傳感器

布置傳感器時(shí)，應(yīng)確保傳感器探針深入冷卻液管路的長(zhǎng)度為0.5-1R（R為管路半徑）。因溫度傳感器屬非隔離傳感器，與被測(cè)冷卻液直接接觸，電流可以在二者之間流通，因此要求采用隔離地線，以避免接地循環(huán)引起測(cè)試誤差。

5.3 環(huán)境溫度傳感器

試驗(yàn)時(shí)，一般將環(huán)境溫度傳感器固定在駕駛室外部。因駕駛室表面受陽光照射吸熱、發(fā)動(dòng)機(jī)艙排出的熱風(fēng)上升、從車后往前吹的自然風(fēng)將經(jīng)過散熱器和發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱風(fēng)吹到駕駛室附近等因素，均會(huì)對(duì)環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)造成影響[5]。

可制作一個(gè)紙筒（也可用其他耐熱材料制作），將環(huán)境溫度傳感器放在紙筒中間部位。盡量將紙筒放置在駕駛室最前端和最高的位置上，并且使紙筒軸線方向朝向車輛行駛方向。這樣既可以避免傳感器受陽光直射，又可以防止駕駛室表面熱輻射，同時(shí)保證測(cè)點(diǎn)通風(fēng)，免受發(fā)動(dòng)機(jī)艙熱風(fēng)影響。

6 環(huán)境風(fēng)速

環(huán)境風(fēng)速會(huì)引起車輛迎面風(fēng)速及熱風(fēng)回流的變化。若自然風(fēng)沿車頭向后吹，會(huì)增大車輛迎面風(fēng)速，吹到散熱器表面風(fēng)風(fēng)速也隨之而變大，使吹過散熱器的風(fēng)量增加，從而有利于散熱器散熱性能的發(fā)揮。若自然風(fēng)從車尾往前吹，可能將發(fā)動(dòng)機(jī)艙排出熱風(fēng)吹到前格柵附近，被風(fēng)扇重新吸入，再次參與熱交換，使散熱器散熱性能有所降低。

GB/T 12542-2009規(guī)定試驗(yàn)時(shí)環(huán)境風(fēng)速不超過3m/s。根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，建議在環(huán)境風(fēng)速不超過1.5m/s的自然環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，否則可能導(dǎo)致熱平衡試驗(yàn)結(jié)果失真。

7 試驗(yàn)操作

負(fù)荷拖車發(fā)動(dòng)機(jī)功率應(yīng)盡可能比試驗(yàn)車大或至少是與試驗(yàn)車輛同功率車型，杜絕用大功率試驗(yàn)車拖小功率負(fù)荷拖車[6]。試驗(yàn)車輛多態(tài)開關(guān)（也叫省油開關(guān)）應(yīng)調(diào)至“重載”位置，否則發(fā)動(dòng)機(jī)無法發(fā)揮該轉(zhuǎn)速下的最大扭矩，即使達(dá)到熱平衡狀態(tài)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也是無意義的。

最大功率工況，試驗(yàn)車輛一般使用2檔或3檔，最大扭矩工況，試驗(yàn)車輛一般使用3檔或4檔。負(fù)荷拖車檔位推薦與試驗(yàn)車輛同檔位或高出試驗(yàn)車輛1個(gè)檔位。試驗(yàn)開始時(shí)，試驗(yàn)車輛逐漸將油門踏板踩到底， 當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過試驗(yàn)要求轉(zhuǎn)速時(shí)，負(fù)荷拖車逐漸松掉離合。避免急加速、急松離合，導(dǎo)致試驗(yàn)車與負(fù)荷拖車連接裝置崩斷。

若試驗(yàn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速仍高于試驗(yàn)要求轉(zhuǎn)速，則負(fù)荷拖車應(yīng)通過剎車?yán)^續(xù)對(duì)試驗(yàn)車輛施加負(fù)荷;若試驗(yàn)車輛發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低于試驗(yàn)要求轉(zhuǎn)速，則試驗(yàn)車輛應(yīng)及時(shí)降低1個(gè)檔位或負(fù)荷拖車升高1個(gè)檔位;若負(fù)荷拖車轉(zhuǎn)速過高，則負(fù)荷拖車應(yīng)及時(shí)升高1個(gè)檔位。

若道路不夠平直，上坡路段負(fù)荷拖車應(yīng)適當(dāng)減小剎車力度，下坡路段負(fù)荷拖車應(yīng)適當(dāng)增加剎車力度，使試驗(yàn)車輛與負(fù)荷拖車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持穩(wěn)定。因負(fù)荷拖車需長(zhǎng)時(shí)間使用剎車，因此必須加裝淋水降溫裝置，對(duì)車輪進(jìn)行淋水降溫，防止車輪溫度過高引起輪胎起火燃燒。

8 結(jié)果評(píng)價(jià)與修正

8.1 結(jié)果評(píng)價(jià)

對(duì)于冷卻系統(tǒng)散熱能力的評(píng)價(jià)，采用冷卻常數(shù)和中冷后溫升作為其主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。冷卻常數(shù)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)算極限使用許用環(huán)境溫度（冷卻液允許最高溫度與冷卻常數(shù)的差值）。一般要求冷卻常數(shù)限值為58～61℃。中冷后溫升是指中冷器中冷后空氣溫度與環(huán)境溫度的差值，是反映中冷器散熱能力的重要指標(biāo)。一般要求中冷后溫升限值為25～30℃。

另外，發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度、冷卻模塊前端進(jìn)風(fēng)溫度與風(fēng)速、空濾進(jìn)氣溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)出水溫差與壓差、中冷壓降等參數(shù)常用于判斷冷卻系統(tǒng)相關(guān)零部件性能及發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置是否合理，一般作為輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)。

8.2 結(jié)果修正

國(guó)標(biāo)要求試驗(yàn)環(huán)境溫度不低于30℃，但大多地區(qū)大多時(shí)間均無法滿足該要求。由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)積熱、地面熱輻射與熱風(fēng)回流的影響，冷卻液溫度會(huì)比環(huán)境溫度上升的更快，二者并不是呈線性關(guān)系變化。所以較高的環(huán)境溫度將得到較高的液氣溫差，較低的環(huán)境溫度將得到較低的液氣溫差。整車與發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究，得到了冷卻常數(shù)與試驗(yàn)環(huán)境溫度的修正關(guān)系（如表1）。

9 結(jié)論

以重型卡車為例，對(duì)整車熱平衡道路試驗(yàn)中發(fā)動(dòng)機(jī)故障、節(jié)溫器、風(fēng)扇離合器、傳感器布置、環(huán)境風(fēng)速、試驗(yàn)操作、結(jié)果評(píng)價(jià)與修正等細(xì)節(jié)問題進(jìn)行探討，對(duì)重型卡車整車制造企業(yè)建立科學(xué)、有效、合理、可操作性更強(qiáng)的熱平衡試驗(yàn)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)具有一定參考價(jià)值。并且對(duì)中、輕型卡車的熱平衡試驗(yàn)以及熱平衡環(huán)境艙臺(tái)架試驗(yàn)也具有一定的參考意義。

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