國產某皮卡熱平衡能力試驗研究

張志國，高吉強，郭 勇，苑 林，李 卓

（1. 中國汽車技術研究中心，天津 300300；2. 北京交通運輸職業學院 汽車工程系，北京 102618）

0 引 言

汽車發動機工作時，有時候出現燃燒不正常的現象，究其原因是高溫燃氣使接觸的零部件溫度急劇升高，且未得到及時適當的冷卻，使發動機過熱，造成充氣系數下降；該狀況加劇了發動機零部件磨損，嚴重時會導致發動機不能正常工作，致使發動機性能全面惡化，影響其可靠性和耐久性。若發動機冷卻能力過剩將導致熱損失增加，發動機零部件會因為潤滑油的溫度過低引起磨損加劇，燃油經濟性也會因為冷卻液的溫度過低而下降。因此，發動機能否在各工況下處于適宜的溫度、可靠的工作，是衡量汽車冷卻系統優劣的重要標準。汽車熱平衡能力試驗是評價汽車冷卻系統的重要手段，2010年1月1日國家開始實施的GB/T 12542-2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》詳細規定了在道路試驗中如何評價汽車冷卻系統熱平衡能力。下面將基于 GB/T 12542-2009對國產某皮卡熱平衡能力試驗進行研究與分析。

1 試驗準備

首先按照標準要求進行車輛試驗準備，檢查輪胎氣壓是否符合規定值，準備滅火器并保證其工作正常，按照汽車使用說明書規定的型號、數量更換發動機冷卻液、潤滑油（發動機、變速箱、驅動橋處的）。試驗測點布置如表1所示。溫度傳感器采用K型熱電偶，傳感器安裝時要注意密封，不能出現油水泄漏現象，水溫傳感器安裝時可以采用在進、出水軟管上打孔或者在接口處直接埋入，油溫傳感器是在放油螺栓處打孔埋入，傳感器的埋入深度要掌握好，避免碰到旋轉件。

表1 試驗測點布置

2 試驗過程及結果

試驗是在環境艙進行的，為模擬道路試驗中的各個試驗工況，通過艙內的底盤測功機對試驗車輛進行加載。整車熱平衡試驗的試驗工況有常規使用工況和極限使用工況，其中常規使用工況主要考察汽車在常規行駛過程中各冷卻系的冷卻能力，包括怠速行駛工況、高速行駛工況、熄火浸置工況和模擬爬坡工況；極限使用工況包括發動機最大扭矩轉速工況和發動機額定功率轉速工況，主要考察汽車在低擋位、高扭矩（高轉速）下冷卻系的冷卻能力。試驗過程中，各個工況的試驗順序可以自由選擇，一個試驗工況結束后，要等各冷卻液的溫度恢復后再進行另一項試驗，試驗過程中要記錄空調和風扇的工作狀態，不要在高于各冷卻介質許用溫度下長時間地進行試驗。各個試驗工況開始后，通過數據采集儀器實時記錄各測點的溫度，當連續4 min內各測點的溫度均無明顯上升且變化范圍在1℃以內，可認為汽車達到熱平衡，該工況試驗結束。試驗環境溫度選擇在40℃。

2.1 高速行駛與熄火浸置工況

高速行駛工況試驗條件是汽車在無負荷狀態下，用最高擋，90%最高車速或者140 km/h（兩者取較小值）勻速行駛；該試驗樣車的最高車速為150 km/h，因此在此工況下使用車速135 km/h進行試驗。該工況結束后迅速停車并熄火，進入熄火浸置工況，觀察冷卻介質是否達到其許用最高溫度，汽車是否出現冒煙、有異響等現象。試驗曲線如圖 1所示。可以看出，高速行駛工況過程中，空調一直沒有自動關閉，冷卻液最先達到平衡，平衡時發動機出水溫度為103℃左右，大約3 min后機油也達到平衡要求，機油平衡溫度為126℃。發動機熄火浸置后，各個冷卻介質溫度沒有上升趨勢，無異響、冒煙等現象。

2.2 模擬爬坡工況

模擬爬坡工況是汽車在3/4額定轉速狀態下，爬上7%坡度所選用的最高擋。該工況試驗利用轉鼓來實現，逐步對試驗樣車施加坡度阻力，最后穩定在7%坡度左右。通過試驗確定出該車選用Ⅲ擋，試驗結果如圖2所示。從圖2可以看出，該工況下機油和冷卻液的溫度變化與高速行駛工況類似，先是發動機冷卻液達到平衡，發動機出水溫度為102℃，繼而機油達到平衡，平衡時溫度為119℃。

2.3 發動機怠速工況

該工況是指汽車在直接擋下，以50 km/h的車速行駛20 min后停放在“十”字擋風墻內，大燈全開，散熱器迎風面正對風向，發動機怠速運轉。由于本次試驗是在環境艙內進行，沒有外界風的影響，只要保證發動機怠速運轉時艙內冷卻風扇不工作就可以。圖3顯示，在20 min勻速行駛過程中，發動機進、出水溫度達到穩定平衡，其他冷卻介質的溫度也沒有上升的趨勢；怠速之后，各冷卻介質的溫度沒有上升的趨勢，進、出水溫差加大，說明此工況下冷卻能力更加充足。

2.4 極限使用工況

極限使用工況是指汽車加速踏板完全踩下并以Ⅱ擋行駛，汽車逐步被施加的負荷通過底盤測功機（負荷拖車）來完成，使得汽車發動機轉速穩定在最大扭矩轉速（最大扭矩轉速工況）和額定功率轉速（額定功率轉速工況），偏差在±2%或者±50r/min（取二者中較大值）以內。本次試驗極限工況下各測點的溫度隨時間變化曲線如圖4和圖5所示。從曲線可以看出，在最大扭矩工況下，機油溫度在116℃左右達到平衡，發動機的進、出水溫度由于受空調開閉和發動機轉速變化的影響，也實現了動態平衡，最高出水溫度為 102℃；發動機額定功率轉速工況下，各冷卻介質的溫度上升較快，空調自動關閉，發動機出水溫度不到4 min上升到112℃，超過了企業規定許用溫度（105℃），試驗停止。

3 試驗結果分析

汽車熱平衡的試驗結果最終是以許用環境溫度的形式體現，計算所有冷卻介質在極限工況和常規工況下的許用環境溫度，以各冷卻介質中的最小值作為其許用環境溫度。許用環境溫度的計算公式

式中，TL為冷卻介質的許用最高溫度；KC為冷卻常數（熱平衡時冷卻介質的平衡溫度與環境溫度的差值）。

綜上幾個工況來看，變速箱油和驅動橋油的溫度均沒有達到平衡，隨著試驗的進行，溫度緩慢上升，但是由于變速箱油和驅動橋油的許用溫度較高，試驗過程中均離許用溫度還有較大的溫差，再加上環境艙內流場的限制，對變速箱和驅動橋的冷卻要比實際道路差很多，所以這兩處的冷卻介質不會成為該車許用溫度的限制因素，計算過程中可以不予考慮。企業提供的冷卻液和機油的許用最高溫度分別為105℃和130℃，依據試驗結果計算得到各工況下許用溫度，如表2所示。

表2 各試驗工況下許用溫度

4 結束語

綜合以上的試驗結果分析可以看出：常規使用工況下的許用溫度為42℃，高速行駛工況和模擬爬坡工況得出的許用環境溫度較接近，冷卻液的溫度僅相差 1℃，但由于模擬爬坡工況下發動機的轉速相對較低，機油的平衡溫度比高速行駛工況下要低7℃，結合最大扭矩工況下機油和冷卻液的溫度變化可以看出，機油的溫度主要跟發動機轉速相關，車輛負荷的影響相對較小。而發動機冷卻液的溫度跟車輛負荷和發動機轉速都有很大的相關性。在極限使用工況下，由于額定功率工況下發動機不僅是全負荷運轉，更是在高轉速下工作，再加上該車的后備功率比較大，極限工況下附加的載荷較高，在額定功率工況下的附加載荷為13%的坡度，該車未能達到平衡，許用的環境溫度低于33℃，說明該車不能在此極限工況長時間運轉。

[1]GB/T 12542-2009，汽車熱平衡能力道路試驗方法[S].

[2]姚仲鵬，王新國． 車輛冷卻傳熱[M]. 北京：北京理工大學出版社，2001.

[3]周龍保，劉巽俊，高宗英. 內燃機學［M］.北京：機械工業出版社，1998.