基于環境模擬的汽車熱平衡試驗研究

袁建軍，于津濤，吳 展

（1.中國汽車技術研究中心，北京 100176；2.北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

基于環境模擬的汽車熱平衡試驗研究

袁建軍1，于津濤1，吳 展2

Yuan Jianjun1，Yu Jintao1，Wu Zhan2

（1.中國汽車技術研究中心，北京 100176；2.北京汽車研究總院有限公司，北京 101300）

以環境模擬試驗中的熱平衡試驗為主要研究對象，對該試驗的國標及企標進行對比研究，利用試驗室的環境倉和轉鼓等硬件設施，進行了多車型的整車熱平衡環境模擬試驗。從熱平衡、環境溫度對試驗結果影響、光照對試驗結果影響、環境模擬試驗與道路試驗的比對等方面進行分析，進而對目前的熱平衡試驗標準提出了改進意見。

環境模擬；熱平衡試驗；光照；阻力

0 引 言

生產企業和用戶都會關心汽車是否可以在所銷售區域的氣候環境條件下無故障運行，達到汽車設計的性能并可實現舒適的駕駛，因此必須有合適的方法和標準來驗證汽車的環境適應性。環境適應性試驗通常以整車在環境試驗室和場地測試2種方式進行，因場地測試條件無法精確控制，通常僅作為實用性判定及環境試驗室測試結果的參考。環境試驗室模擬測試方法因為環境條件恒定可控，具有試驗結果重復性好、便于量化分析等優點，越來越受到各廠家研發及試驗部門的認可，作為整車環境適應能力的主要評定方式。

1 汽車熱平衡試驗標準

GB/T 12542—2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》在實踐過程中由于可操作性和評價工況有所欠缺，很多廠家沒有直接采用國標，而是結合國標或合資企業標準進行修改，制定出可操作性更強的企業標準。

1.1 國家標準

該標準簡要描述如下：

1）該標準為道路試驗方法，并沒有針對利用環境倉的試驗方法說明；

2）環境要求：30℃以上，對濕度、光照強度等無要求；

3）所需特殊設備：負荷拖車；

4）試驗過程中打開空調，外循環、最大冷卻模式、風量調節開關置于最大位置；

5）熱平衡判定標準：連續4 min各冷卻介質溫度與環境溫度的差值無升高趨勢且變化均在±1℃以內；

6）測試工況：包括極限使用工況和常規使用工況2部分[1]。

1.2 企業標準

由于各發動機轉速區間不同、速比不同等原因，國標在操作上不易于車型間橫向比較，而且極端工況過于惡劣因而在實際行駛中出現概率極低，因此許多企業根據自身需要使用自己的企業標準，以下列舉3個廠家的典型試驗方法。

1.2.1 企業標準1

環境溫度為30℃，空調開，強制節溫器打開，工況如表1所示。

1.2.2 企業標準2

環境溫度30℃，光照強度700 W/m2；空調為內循環模式，工況如表2所示。

表2 企標2規定試驗工況

1.2.3 企業標準3

環境條件分為38℃、35℃和33℃ 3種，相對濕度40%，光照強度1000 W/m2。空調狀態為開，且為外循環，最大制冷，最大風速，工況如表 3所示。

表3 企標3規定試驗工況

1.3 小結

不同廠家熱平衡試驗方法和標準各不相同。

1）環境方面：溫度30～43℃，濕度40%～50%或者不作要求，光照強度700～1 000 W/m2或者不作要求。

2）熱平衡判定：各廠家的熱平衡判定條件不同，一般的判定條件為油液溫度變化率小于1 ℃/ min ，也有的比較嚴格，要求小于1 ℃ /3m in甚至1 ℃/8m in；也有按時間要求的，例如從工況開始延續30 min，只要油液溫度均未超過最高許用溫度則算通過。

3）工況要求：工況是各標準間差別最大的項目，有些廠家要求測試最大功率或最大扭矩工況；而大多廠家傾向于模擬常用不利工況，如高速、低速爬坡、中速爬坡、城市擁堵路況、長時間怠速和高負荷后熄火浸置等。

各廠家均采用環境模擬的方法進行熱平衡試驗，而不采用道路試驗的方法。工況方面，企業標準較國家標準更接近用戶使用的實際極限工況。

2 試驗結果分析

汽車在環境、工況均穩定狀態下，各冷卻介質溫度將達到恒定，冷卻系統吸收熱量等于其放出熱量，因此考察汽車在不同工況時的平衡狀態就是考察汽車冷卻液或機油等在該工況下達到的最高值。

熱平衡試驗過程中主要測試點包括環境溫度、進氣格柵前后溫度、散熱器進出口冷卻液溫度、發動機機油溫度、變速箱油溫度、空調系統壓力、發動機轉速和車速等。

2.1 熱平衡分析

圖1～圖4為某車型在不同工況下從試驗開始到平衡狀態的溫度變化圖，分別為高速行駛、低速爬坡和中速爬坡 3個工況。圖中曲線分別代表水溫、機油溫度、變速箱油溫、車速以及空調高壓壓力。從工況1～工況3看，3種油液溫度均從快速升高轉為漸趨平穩，以 3種油液變化率均小于1℃/ min 作為平衡標志并停止該工況試驗。

工況 4是熄火浸置工況，模擬的是汽車大負荷行駛后突然熄火，由于油液的積熱效應引起溫度繼續升高的工況。從圖 4中可以看出，汽車以40 km/h車速爬7.2%坡度行駛到14 m in時突然停車熄火，機油和變速箱油溫度很快下降，而發動機冷卻液溫度卻持續上升，最高達到120℃，如果汽車沒有適當的措施進行保障則可能出現“開鍋”故障。不同于工況1～工況3，該工況結束的標志是所有油液的溫度均開始下降。

汽車熱平衡試驗中，通常用許用環境溫度 T來衡量汽車的環境適應性。T計算公式如下

T（℃）=冷卻介質許用最高溫度-熱平衡時冷卻介質溫度+環境溫度

式中，冷卻介質許用最高溫度無特殊規定，為（1）～（3）之中的最小值：

（1）沸點；（2）動力總成要求；（3）空調系統要求。

該車沸點為120℃；動力總成要求和空調系統要求為140℃。對工況1～工況3進行SAC（System Ambient Capacity，系統環境能力）計算。

工況1：冷卻液、機油、變速箱油最高溫度分別為90.6℃、99.8℃、77.8℃，則：

工況2：冷卻液、機油、變速箱油最高溫度分別為99.5℃、114.9℃、80.4℃，則：

工況3：冷卻液、機油、變速箱油最高溫度分別為97.5℃、111.6℃、78.0℃，則：

綜合以上結果，取所有結果中最小值作為整車許用環境溫度，即該車在環境溫度低于 58.5℃的條件下，3種工況可正常使用。

2.2 環境溫度對試驗結果影響分析

對于許用環境溫度和冷卻介質許用最高溫度恒定的冷卻液，散熱器進水口溫度和環境溫度差值應該恒定，即環境溫度升高x℃，則相應散熱器進水口溫度也應升高x℃，為此進行相關試驗。

1）汽車工況不變，100 km/h勻速行駛，改變環境溫度，觀察各油液平衡溫度。

從表4及圖5～圖7可以看出，隨著環境溫度的升高，冷卻液和機油的熱平衡溫度均升高。環境溫度升高 10℃，機油平衡溫度也上升接近10℃，而冷卻液由于有冷卻風扇調控，因此上升量小于環境溫度上升量，發動機電控單元通過調節風扇功率保持冷卻液溫度在85～95℃之間。

表4 環境溫度、冷卻液平衡溫度及機油平衡溫度關系℃

由于上述工況對于該款汽車發動機來說負荷較小，因此發動機 ECU（Electronic Control Unit，電子控制單元）可以通過冷卻風扇進行主動調控，為此更換為大負荷工況進行觀察。車速40 km/h，滿載7.2%坡度，結果如表5及圖8～圖9所示。℃

表5 環境溫度、冷卻液平衡溫度及機油平衡溫度關系

當汽車負荷較大，超出了發動機電控系統調節范圍（即節溫器全部開啟、冷卻風扇高速運轉）時，冷卻液與機油平衡溫度升高值與環境溫度升高值基本相等。

2.3 光照對試驗結果影響

光照會引起發動機艙溫度逐漸升高，從而降低發動機艙的散熱量，同時空調壓力也會相應提高，壓縮機負荷變大，由此導致同一汽車在相同環境溫度和相同工況下，無光照時冷卻液和機油平衡溫度為93.5℃和104.7℃（圖10～圖11），而光照為 1 000 W/m2時冷卻液和機油平衡溫度為94.5℃和107.2℃，分別上升了1℃和2.5℃。

2.4 環境模擬試驗與道路試驗的比對

在相同環境溫度25℃下，同一輛車分別在道路上和環境艙中使用同一工況 100 km/h勻速行駛，環境艙中轉鼓阻力用推薦值，比較熱平衡試驗結果。

如圖12～圖13所示，道路試驗中冷卻液和機油平衡溫度為 85.5℃和 90.0℃，在試驗室中通過滑行法加載后試驗冷卻液和機油平衡溫度為87.0℃和91.0℃，二者基本一致，但存在一定差值。有很大一部分原因是由于道路上的行駛阻力小于轉鼓上的行駛阻力，道路試驗節氣門開度為23.5%，而試驗室轉鼓上節氣門開度達到37.3%，這主要與滑行阻力系數設定有關，因此設定準確的行駛阻力是保證環境模擬試驗精度的前提。有些廠家允許試驗室轉鼓上的負荷大于道路上，這樣相當于在更惡劣的工況中對汽車進行考核。

3 結論和建議

結合其他標準和實際工作，對我國現有熱平衡方法 GB/T12542—2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》提出以下改進建議。

1）環境要求：結合我國大部分城市最高氣溫，建議將環境要求設置為：40℃，1 000 W/m2光照；

2）工況設置：在原有工況中，增加城市擁堵工況模擬：反復加速減速（最高30 km/h），20次循環，期間沒有迎面風；

3）試驗間隔：建議在每個工況結束后加入怠速冷卻和小負荷穩定工況，可以保證每個工況起始的狀態一致，不受上一個工況影響；

4）平衡判定：建議修改為油、液溫度變化率小于 1℃/min，同時每個工況時間最長不超過 30 m in，如果出現空調循環切斷則保持30 min試驗工況即可，這樣以便于車型間橫向比較。

[1]GB/T12542—2009 汽車熱平衡能力道路試驗方法[S].

U467.1+3

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2015.02.010

1002-4581（2015）02-0038-05

2015?01?05