汽車(chē)散熱器與中冷器性能測(cè)試系統(tǒng)和方法

張冰　李承國(guó)　王超

摘 要：汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)需要冷卻系統(tǒng)散熱來(lái)保持其在正常的工作溫度，汽車(chē)散熱器和中冷器散熱性能的水平直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒充分性，決定了燃油消耗排放指數(shù)和，嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命。因此，散熱器和中冷器散熱性能平衡至關(guān)重要。如何模擬汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)對(duì)散熱器和中冷器進(jìn)行準(zhǔn)確的性能測(cè)試是汽車(chē)散熱器和中冷器研究的重要內(nèi)容。本文通過(guò)對(duì)散熱器和中冷器性能測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理和測(cè)試方法的研究介紹，形成了散熱器與中冷器獨(dú)立和組合測(cè)試的測(cè)試系統(tǒng)以及測(cè)試方案，測(cè)試結(jié)果在行業(yè)臺(tái)架測(cè)試現(xiàn)有水平下最接近于整車(chē)狀態(tài)，處于行業(yè)領(lǐng)先水平。

關(guān)鍵詞：散熱器 中冷器 性能 系統(tǒng)

Car Radiator and Intercooler Performance Test System and Method

Zhang Bing，Li Chengguo，Wang Chao

Abstract：Automobile engines need cooling system heat to keep it at normal operating temperature. The level of heat dissipation performance of automobile radiators and intercoolers directly affects the adequacy of engine combustion， determines the fuel consumption and emission index， and seriously affects the service life of the engine. Therefore， the balance between the heat dissipation and the heat dissipation performance of the intercooler is very important. How to simulate the actual working state of automobile engine to carry out accurate performance test of radiator and intercooler is an important content of the research of automobile radiator and intercooler. Through the research and introduction of the structure， principle and test method of the radiator and intercooler performance test system， this paper has formed a test system and test plan for the independent and combined test of the radiator and intercooler. The test results are tested on the industry bench. The level is closest to the state of the whole vehicle， and it is at the leading level in the industry.

Key words：radiator， intercooler， performance， system

1 引言

1.1 汽車(chē)散熱器和中冷器換熱原理

汽車(chē)散熱器換熱途徑為：發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒產(chǎn)生的熱量通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)缸套傳遞給缸套里面的防凍液，高溫防凍液通過(guò)冷卻系統(tǒng)水泵和管路循環(huán)傳遞給散熱器，散熱器把防凍液的熱量通過(guò)芯體傳遞給空氣，換熱處于熱平衡狀態(tài)，通過(guò)熱平衡保持發(fā)動(dòng)機(jī)在需求的溫度下持續(xù)工作。

汽車(chē)中冷器換熱途徑為：通過(guò)增壓器增壓后的高溫壓縮空氣通過(guò)冷卻系統(tǒng)管路循環(huán)傳遞給中冷器，中冷器把高溫壓縮空氣的熱量通過(guò)芯體傳遞給空氣，換熱處于熱平衡狀態(tài)，保持發(fā)動(dòng)機(jī)在需求的溫度下持續(xù)工作。

1.2 汽車(chē)散熱器和中冷器行業(yè)散熱性能測(cè)試背景

當(dāng)前涉及汽車(chē)散熱器、中冷器的國(guó)家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有：《汽車(chē)、拖拉機(jī)散熱器風(fēng)筒試驗(yàn)方法《JB/T 2293-1978》》（第一機(jī)械工業(yè)部部標(biāo)準(zhǔn)）、《中冷器中國(guó)兵器工業(yè)總公司部標(biāo)準(zhǔn)-裝甲車(chē)輛柴油機(jī)中冷器規(guī)范《WJ 2429-1997》》。兩標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于散熱器、中冷器的性能試驗(yàn)是獨(dú)立完成的。目前國(guó)標(biāo)中還沒(méi)出現(xiàn)將散熱器、中冷器組合試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法，散熱器、中冷器等汽車(chē)零部件組成的冷卻模塊組合試驗(yàn)是急需突破和研究的方向。

專(zhuān)利號(hào)CN 104458280 A提出了一種關(guān)于汽車(chē)散熱器、中冷器等冷卻模塊組合試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法，專(zhuān)利中包含一臺(tái)水平軸連續(xù)吸氣式風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)裝置，風(fēng)洞由兩個(gè)錐形筒對(duì)接后焊接而成，兩個(gè)錐形筒大小相同，外形是兩端小中間大的錐形體，實(shí)驗(yàn)中模擬裝車(chē)狀態(tài)在風(fēng)洞過(guò)渡段自左至右依次是散熱器、中冷器組成的冷卻模塊;散熱器單體裝配有進(jìn)、出水管，盡可能的保留實(shí)際裝車(chē)狀態(tài);中冷器單體裝配有進(jìn)、出氣管，亦盡可能的保留實(shí)際裝車(chē)狀態(tài);進(jìn)、出水管和進(jìn)、出氣管處安置溫度、壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中的溫度和壓力變化。上述風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)，可獨(dú)自進(jìn)行單體性能試驗(yàn)，亦可對(duì)冷卻模塊進(jìn)行模擬試驗(yàn)。

但是在上述試驗(yàn)方案中，對(duì)換熱器單體的測(cè)試中，并沒(méi)有涉及散熱器水阻和中冷器氣阻的監(jiān)測(cè)，沒(méi)有建立完整的水路和氣路循環(huán)系統(tǒng)，上述方案中并沒(méi)有涉及散熱器水阻和中冷器氣阻的測(cè)試裝置及驗(yàn)證方法，所以專(zhuān)利中提及試驗(yàn)方式和試驗(yàn)方法獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可能會(huì)存在精確度不高的問(wèn)題。

2 主要內(nèi)容

2.1 測(cè)試系統(tǒng)研究目的

本文提供了一種汽車(chē)散熱器、中冷器散熱性能的測(cè)試方法，解決當(dāng)前試驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)不全面、測(cè)試精確度不高的問(wèn)題。

2.2 測(cè)試系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

汽車(chē)散熱器和中冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)及方法，屬于汽車(chē)散熱性能測(cè)試領(lǐng)域，要解決的技術(shù)問(wèn)題為現(xiàn)有測(cè)試過(guò)程中測(cè)試不全面、測(cè)試精確度不高。其結(jié)構(gòu)包括風(fēng)洞，進(jìn)風(fēng)筒分為具有集流作用的進(jìn)風(fēng)端部及具有穩(wěn)流作用的出風(fēng)端部;出風(fēng)筒為具有穩(wěn)流作用的出風(fēng)筒;進(jìn)風(fēng)筒的出風(fēng)端部上安裝有風(fēng)速測(cè)量裝置、進(jìn)風(fēng)溫度檢測(cè)器和風(fēng)阻測(cè)量器，出風(fēng)筒上安裝有風(fēng)阻測(cè)量器、出風(fēng)溫度檢測(cè)器和風(fēng)機(jī);進(jìn)氣管、出氣管、進(jìn)水管和出水管上均連接有測(cè)壓管，進(jìn)氣管上還連通有空氣壓縮加熱裝置，進(jìn)水管和出水管之間連通有熱介質(zhì)循環(huán)裝置。汽車(chē)散熱性能測(cè)試方法包括對(duì)水冷式散熱件和氣冷式散熱件單獨(dú)進(jìn)行性能測(cè)試，以及對(duì)水冷式散熱件和氣冷式散熱件整體進(jìn)行性能測(cè)試。

2.3 測(cè)試系統(tǒng)工作原理

測(cè)試系統(tǒng)模式散熱器和中冷器在整車(chē)中工作狀態(tài)，通過(guò)冷風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng)、高溫壓縮空氣供應(yīng)系統(tǒng)和高溫防凍液供應(yīng)系統(tǒng)，采用吸熱側(cè)和放熱側(cè)平衡的采集計(jì)算方式，測(cè)量和記錄散熱器和中冷器散熱性能。

2.3.1 水冷式散熱件的熱平衡判定標(biāo)準(zhǔn)

計(jì)算水冷式散熱件的熱平衡誤差計(jì)算公式為：，水冷式散熱件的熱平衡誤差小于等5%時(shí)判定滿足熱平衡，其中，Qw為水冷式散熱件放熱量，Qa為空氣的吸熱量。

2.3.2 氣冷式散熱件的熱平衡判定標(biāo)準(zhǔn)

計(jì)算氣冷式散熱件的熱平衡誤差計(jì)算公式為：，氣冷式散熱件的熱平衡誤差小于等于5%時(shí)判定滿足熱平衡，其中，QA為氣冷式散熱件放熱量，Qa為空氣的吸熱量。

2.3.3 水冷式散熱件和氣冷式散熱件組合熱平衡判定標(biāo)準(zhǔn)

計(jì)算水冷式散熱件和氣冷式散熱件整體的總熱平衡誤差計(jì)算公式為：，水冷式散熱件和氣冷式散熱件整體的總熱平衡誤差小于等于5%時(shí)判定滿足熱平衡，其中，Qw為水冷式散熱件放熱量，QA為氣冷式散熱件放熱量，Qa為空氣的吸熱量;

2.4 測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試方法

2.4.1 實(shí)驗(yàn)通用要求

（1）試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，試驗(yàn)前后時(shí)間內(nèi)進(jìn)風(fēng)溫度波動(dòng)不得超過(guò)±5℃。

（2）試驗(yàn)前應(yīng)檢查水冷式散熱件13上下水室、循環(huán)水路及水冷式散熱件13與氣冷式散熱件6與左端的進(jìn)風(fēng)筒1和右端的出風(fēng)筒31的銜接處不得漏水、漏氣。

（3）試驗(yàn)前應(yīng)檢查測(cè)試氣冷式散熱件6的連接可靠性，保證在試驗(yàn)允許的壓力、溫度下不出現(xiàn)漏氣、爆管現(xiàn)象。

（4）試驗(yàn)前開(kāi)啟水側(cè)加熱裝置、熱水泵27、風(fēng)機(jī)26，并調(diào)節(jié)風(fēng)速、水流量，待進(jìn)水溫度達(dá)到規(guī)定值時(shí)，排除水路中的氣體，待工況穩(wěn)定后，再逐一開(kāi)啟熱側(cè)裝置，直至達(dá)到試驗(yàn)工況測(cè)試條件開(kāi)始試驗(yàn)。

（5）測(cè)量參數(shù)包括：水冷式散熱件13的水側(cè)水流量、水側(cè)進(jìn)口溫度、水側(cè)出口溫度、水側(cè)進(jìn)出口溫度差、水側(cè)進(jìn)口水阻壓力、水側(cè)出口水阻壓力和水側(cè)進(jìn)出口水阻壓力差及氣冷式散熱件6的熱側(cè)空氣流量、熱側(cè)進(jìn)口壓力、熱側(cè)出口壓力、熱側(cè)進(jìn)出口壓力差、進(jìn)口溫度、出口溫度和進(jìn)出口溫度差以及冷側(cè)空氣入口環(huán)境相對(duì)濕度、冷側(cè)空氣入口環(huán)境大氣壓力、冷側(cè)空氣入口環(huán)境溫度、冷側(cè)空氣進(jìn)口溫度、冷側(cè)空氣出口溫度、冷側(cè)空氣進(jìn)出口壓力差和通過(guò)風(fēng)速測(cè)量裝置3測(cè)得的風(fēng)速。

2.4.2 單獨(dú)對(duì)水冷式散熱件13進(jìn)行測(cè)試時(shí)

（1）試驗(yàn)工況的基本固定包括：上述測(cè)試過(guò)程中，試驗(yàn)工況的基本規(guī)定包括：確定水冷式散熱件13實(shí)際應(yīng)用最大的水側(cè)水流量，在水冷式散熱件13實(shí)際應(yīng)用最大的水側(cè)水流量范圍內(nèi)選取3個(gè)水側(cè)水流量工況點(diǎn)。

（2）水冷式散熱件13的水流阻力測(cè)試條件包括：依次變更上述水側(cè)水流量工況點(diǎn)，測(cè)取各水側(cè)水流量工況點(diǎn)的水側(cè)進(jìn)出口水阻壓力差。

（3）熱平衡判定標(biāo)準(zhǔn)包括：計(jì)算水冷式散熱件13的熱平衡誤差計(jì)算公式為：，水冷式散熱件13的熱平衡誤差小于等5%時(shí)判定滿足熱平衡，其中，Qw為水冷式散熱件13放熱量，Qa為空氣的吸熱量。

2.4.3 單獨(dú)對(duì)氣冷式散熱件6進(jìn)行測(cè)試時(shí)

（1）試驗(yàn)工況的基本規(guī)定包括：確定氣冷式散熱件6實(shí)際應(yīng)用的熱側(cè)空氣流量、熱側(cè)進(jìn)口壓力和進(jìn)口溫度，在氣冷式散熱件6實(shí)際應(yīng)用的熱側(cè)空氣流量、熱側(cè)進(jìn)口壓力和進(jìn)口溫度范圍內(nèi)組合出至少兩個(gè)熱側(cè)空氣流量、熱側(cè)進(jìn)口壓力和進(jìn)口溫度對(duì)應(yīng)搭配的工況點(diǎn)。

（2）氣冷式散熱件6的熱側(cè)空氣阻力測(cè)試條件包括：依次變更熱側(cè)空氣流量和進(jìn)口溫度，測(cè)取各熱側(cè)空氣流量和進(jìn)口溫度工況點(diǎn)下的熱側(cè)進(jìn)出口壓力差。

（3）熱平衡判定標(biāo)準(zhǔn)包括：計(jì)算氣冷式散熱件6的熱平衡誤差計(jì)算公式為：，氣冷式散熱件6的熱平衡誤差小于等于5%時(shí)判定滿足熱平衡，其中，QA為氣冷式散熱件6放熱量，Qa為空氣的吸熱量。

2.4.4 對(duì)水冷式散熱件13和氣冷式散熱件6整體進(jìn)行性能測(cè)時(shí)

2.4.4.1 試驗(yàn)工況的基本規(guī)定包括：

（1）水冷式散熱件13的液-氣溫差為60°，氣冷式散熱件6的氣-氣溫差120°，液-氣溫差和氣-氣溫差的變動(dòng)范圍為±5℃;液-氣溫差為水冷式散熱件13進(jìn)水溫度與水冷式散熱件13冷側(cè)進(jìn)風(fēng)溫度之差;氣-氣溫差：氣冷式散熱件6熱側(cè)進(jìn)口空氣溫度與氣冷式散熱件6冷側(cè)進(jìn)風(fēng)溫度之差;冷側(cè)為水冷式散熱件13或氣冷式散熱件6與冷卻介質(zhì)接觸的表面。

（2）確定水冷式散熱件13實(shí)際應(yīng)用最大水側(cè)水流量，在水冷式散熱件13實(shí)際應(yīng)用最大水側(cè)水流量范圍內(nèi)選取3個(gè)水流量工況點(diǎn)。

（3）確定氣冷式散熱件6實(shí)際應(yīng)用的熱側(cè)空氣流量、熱側(cè)進(jìn)口壓力和進(jìn)口溫度，在氣冷式散熱件6實(shí)際應(yīng)用的熱側(cè)空氣流量、熱側(cè)進(jìn)口壓力和進(jìn)口溫度范圍內(nèi)組合出至少兩個(gè)熱側(cè)空氣流量、熱側(cè)進(jìn)口壓力和進(jìn)口溫度對(duì)應(yīng)搭配的空氣流量工況點(diǎn)。

（4）選取五個(gè)風(fēng)速測(cè)量裝置3測(cè)量的風(fēng)量工況點(diǎn)，分別為2M/S、4M/S、6 M/S、8 M/S、10 M/S和12 M/S。

（5）試驗(yàn)時(shí)，先調(diào)整風(fēng)量，再調(diào)整水冷式散熱件13的一個(gè)水流量工況點(diǎn)，待水冷式散熱件13工況穩(wěn)定3～5分鐘后，最后調(diào)整氣冷式散熱件6的熱側(cè)空氣流量、熱側(cè)進(jìn)口壓力和進(jìn)口溫度，穩(wěn)定3～5分鐘后，測(cè)試水冷式散熱件13和氣冷式散熱件6的測(cè)試參數(shù)，進(jìn)行熱平衡判定和測(cè)量結(jié)果偏差的判定。

（6）變更試驗(yàn)工況的優(yōu)先順序?yàn)椋簹饫涫缴峒?的熱側(cè)進(jìn)口壓力和熱側(cè)空氣流量為第一優(yōu)先，水冷式散熱件13的水側(cè)水流量為第二優(yōu)先，風(fēng)速測(cè)量裝置3測(cè)量的的風(fēng)量為第三優(yōu)先。

2.4.4.2 測(cè)試條件包括：

（1）進(jìn)行水冷式散熱件13的水流阻力測(cè)試時(shí)：依次變更上述水側(cè)水流量工況點(diǎn)，測(cè)取各水側(cè)水流量工況點(diǎn)的水側(cè)進(jìn)出口水阻壓力差。

（2）進(jìn)行氣冷式散熱件6的熱側(cè)空氣阻力測(cè)試時(shí)，依次變更熱側(cè)空氣流量和進(jìn)口溫度，測(cè)取各熱側(cè)空氣流量和進(jìn)口溫度工況點(diǎn)下的熱側(cè)進(jìn)出口壓力差。

（3）熱平衡判定標(biāo)準(zhǔn)包括。

（A）熱平衡判定：計(jì)算水冷式散熱件13和氣冷式散熱件6整體的總熱平衡誤差計(jì)算公式為：，水冷式散熱件13和氣冷式散熱件6整體的總熱平衡誤差小于等于5%時(shí)判定滿足熱平衡，其中，Qw為水冷式散熱件13放熱量，QA為氣冷式散熱件6放熱量，Qa為空氣的吸熱量;

（B）測(cè)試偏差的判定：在同一工況下，水冷式散熱件13和氣冷式散熱件6整體的散熱量小于或等于水冷式散熱件13單獨(dú)測(cè)試的散熱量，氣冷式散熱件6組合實(shí)驗(yàn)的散熱量小于或等于氣冷式散熱件6單獨(dú)測(cè)試的散熱量。

3 結(jié)論

3.1 汽車(chē)散熱器與中冷器性能測(cè)試系統(tǒng)和方法的總體優(yōu)點(diǎn)

對(duì)散熱器和中冷器的單獨(dú)測(cè)試中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)散熱器的水阻和中冷器的氣阻進(jìn)行測(cè)試，且具體明確了測(cè)試裝置及方法，重復(fù)性和再現(xiàn)性高，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了散熱器和中冷器獨(dú)立測(cè)試和組合測(cè)試的綜合性能測(cè)試能力，如：水冷式散熱件單獨(dú)進(jìn)行散熱性能測(cè)試和水流阻力測(cè)試，或單獨(dú)對(duì)氣冷式散熱件進(jìn)行散熱性能測(cè)試和熱側(cè)空氣阻力測(cè)試，或?qū)λ涫缴峒蜌饫涫缴峒w性能測(cè)試。

此汽車(chē)散熱器和中冷器散熱性能測(cè)試系統(tǒng)及方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可對(duì)水冷式散熱件和氣冷式散熱件單獨(dú)進(jìn)行性能測(cè)試，對(duì)水冷式散熱件的性能測(cè)試包括散熱性能測(cè)試和水流阻力測(cè)試，對(duì)氣冷式散熱件的性能測(cè)試包括散熱性能測(cè)試和熱側(cè)空氣阻力測(cè)試，也可對(duì)水冷式散熱件和氣冷式散熱件整體進(jìn)行組合測(cè)試，且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中各工況點(diǎn)可人為控制。

（2）進(jìn)風(fēng)筒的進(jìn)風(fēng)端部為雙扭曲線狀，從而風(fēng)可平直進(jìn)入進(jìn)風(fēng)筒內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生渦流現(xiàn)象，使風(fēng)場(chǎng)更加均勻、穩(wěn)定。

（3）在進(jìn)風(fēng)筒和出風(fēng)筒之間設(shè)置有擴(kuò)散過(guò)渡段和收斂過(guò)渡段，擴(kuò)散過(guò)渡段和收斂過(guò)渡段配合可用于固定不同型號(hào)的散熱器和中冷器，增加了該性能測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。

（4）風(fēng)機(jī)為可調(diào)節(jié)風(fēng)速的風(fēng)機(jī)，便于試驗(yàn)過(guò)程中風(fēng)量的調(diào)節(jié)。

（5）在出風(fēng)筒和風(fēng)機(jī)之間連接有柔性連接管，可減輕風(fēng)機(jī)振動(dòng)，使得出風(fēng)筒內(nèi)風(fēng)平直、穩(wěn)定。

（6）通過(guò)畢托管裝置進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量，且畢托管裝置中的畢托管測(cè)壓傳感器位于進(jìn)風(fēng)筒的出風(fēng)端部的中心處、與氣流方向的偏斜角為0～5°，便于精確測(cè)得進(jìn)風(fēng)筒的出風(fēng)端部?jī)?nèi)風(fēng)速，減少了試驗(yàn)誤差。

（7）進(jìn)水測(cè)壓管、出水測(cè)壓管、進(jìn)氣測(cè)壓管以及出氣測(cè)壓管均垂直插入與其對(duì)應(yīng)的管壁內(nèi)，增加了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度。

（8）進(jìn)水管、出水管、進(jìn)氣管以及出氣管內(nèi)的溫度檢測(cè)器的感溫頭均位于其管腔內(nèi)部的中心處，進(jìn)風(fēng)筒內(nèi)安裝有多個(gè)分散分布的進(jìn)風(fēng)溫度檢測(cè)器，出風(fēng)筒內(nèi)安裝有多個(gè)分散分布的出風(fēng)溫度檢測(cè)器，試驗(yàn)過(guò)程中溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和精確度。

參考文獻(xiàn)：

[1]張志建.汽車(chē)、拖拉機(jī)散熱器風(fēng)筒試驗(yàn)方法《JB/T 2293-1978》.桂林：廣西師范大學(xué)出版社，1989.

[2]中冷器中國(guó)兵器工業(yè)總公司部標(biāo)準(zhǔn)- 裝甲車(chē)輛柴油機(jī)中冷器規(guī)范《WJ 2429-1997》.CN 104458280 A的中國(guó)專(zhuān)利.

[3]汽車(chē)散熱器QC/T468-2010.內(nèi)燃機(jī)增壓空氣冷卻器技術(shù)條件GB/T23338-2018.