重型汽車整車熱平衡臺架試驗方法研究

崔啟明　侯之超　王永飛　張勇　劉藝（.北奔重型汽車集團有限公司，包頭040；.清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室，北京00084；.軍械工程學院，石家莊05000）

?

重型汽車整車熱平衡臺架試驗方法研究

崔啟明1侯之超2王永飛1張勇2劉藝3
（1.北奔重型汽車集團有限公司，包頭014032；2.清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室，北京100084；3.軍械工程學院，石家莊050003）

【摘要】以某重型汽車為例，對整車熱平衡臺架試驗方法進行了研究。結合車輛實際運行環境確定了臺架試驗條件，通過對道路試驗標準中規定的工況進行擴充確定了臺架試驗工況，并分別進行了實車道路試驗與臺架試驗對比分析。結果表明，臺架試驗結果與道路試驗結果的一致性較好，證實了擴允改進后臺架試驗的可行性、合理性以及應用優勢。

主題詞:重型汽車整車熱平衡臺架試驗

1　前言

重型汽車由于使用環境惡劣，發動機長時間工作在極限工況，因而對冷卻系統的散熱能力提出了嚴峻的挑戰，為此，需要從系統集成和整車角度對冷卻系統的散熱能力進行考核[1]。目前，國外已經建立了優化發動機運行的整車熱管理系統，我國相關部門也按著國家標準開展了整車熱平衡試驗，總結了不同工況下冷卻系統的溫變特性，分析了冷卻系統各參數與整車許用環境溫度之間的關系[2～8]。

目前，對整車熱平衡的試驗研究包括道路試驗和臺架試驗兩種方式。雖然道路試驗是整車熱平衡研究的主要手段[7]，然而受道路狀況及環境溫度的限制，無法保證發動機能長時間穩定在極限工況下，因此在考核整車熱負荷的極限溫度時存在偏差[8]；而臺架試驗相對道路試驗具有周期短、不受地域和時間限制的優勢，試驗結果具有良好的可重復性，但目前仍缺乏相關標準。為此，本文以某重型車輛為例進行熱管理風洞道路模擬臺架試驗，并通過與道路試驗結果的對比，驗證臺架試驗的合理性和可行性。

2　試驗方法

試驗在裝配有底盤測功機的熱環境風洞中進行，試驗系統如圖1所示，熱環境風洞相關參數見表1。熱環境艙可提供恒定且均勻的環境溫度，汽車風洞可提供速度穩定且分布均勻的氣流，底盤測功機可以準確模擬負載，使發動機能夠快速穩定在測試工況。

圖1　試驗系統示意

表1熱環境風洞相關參數

底盤測功機為雙滾筒結構，為了使車輪在轉鼓上的受力盡量與道路上一致，根據使用經驗，滾筒直徑定為2～2.5 m。轉鼓安裝在環境艙的中間位置，可為被測車輛提供精確的道路負載，試驗車輛為某6×4重型汽車，其相關參數見表2。

測試系統包括各類傳感器和數據采集儀，用于對整車散熱系統熱平衡試驗進行以下測試。

a.散熱器對冷卻液既要有足夠的散熱能力，同時對冷卻液的流通阻力也應足夠小，所以需要測量散熱器進、出水口的溫度和壓力。

表2試驗車輛參數

b.中冷器對增壓后的空氣既要有足夠的散熱能力，同時對空氣的流通阻力也應足夠小，所以需要測量中冷器進、出氣口的溫度和壓力。

c.環境溫度是影響散熱能力的重要參數之一，所以需要在駕駛室前部布置溫度傳感器。

d.為了了解中冷器前部熱回流情況，需要測量中冷器前方空氣溫度。

e.試驗過程中，為監測發動機水泵的工作狀態，需要測量發動機出水口流量。

根據試驗目的和車輛結構，傳感器參數及測點布置要求見表3，共79個通道。測試系統采樣率設置為0.5 Hz。

2.1試驗條件

結合車輛實際使用工況，試驗條件應滿足如下要求。

a.環境溫度應為35±0.5℃；

b.在發動機最大功率轉速工況下的模擬風速為25 km/h；

c.在發動機最大扭矩轉速工況下的模擬風速為10 km/h；

d.冷卻風扇必須剛性連接，以使冷卻系統保持最大冷卻效能；

e.空調應處于外循環狀態，溫度調節開關置于最大冷卻模式，以增加發動機的負荷。

以上試驗條件中溫度的設置最為關鍵。根據傳熱學理論，在達到熱平衡后，冷卻介質溫度與環境溫度的差值不應隨環境溫度的變化而變化。但對于汽車冷卻系統，由于發動機艙內積熱、地面輻射、熱風回流等因素的影響，環境溫度升高時，機油和冷卻液溫度會比環境溫度上升的更快，發動機出水溫度與環境溫度的差值就會增大，散熱器散熱性能將會下降。所以散熱器性能在低的環境溫度下表現較好，與汽車在極限環境溫度（41℃）下表現的散熱性能不符，這也是道路試驗時經常出現的問題。因此，只有試驗環境溫度與極限環境溫度相接近時，才能得到符合實際使用環境的試驗結果[7]。另外，環境溫度也不應過高，盡量不要接近冷卻系統極限環境使用溫度。這是因為如果冷卻系統散熱能力不合格，試驗時容易使發動機過熱甚至燒毀。所以，環境溫度應設置為35±0.5℃，這也是奧地利斯太爾工程中心（ECS）的技術規范中所設置的環境溫度。

2.2試驗工況

試驗工況是車輛在實際使用環境下的典型工況，其選擇是否合理將直接影響對冷卻系統散熱能力的評價。

對于道路試驗，標準GB/T 12542—2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》中規定了6個工況，包括發動機最大扭矩轉速工況、發動機額定功率轉速工況、模擬爬坡工況、高速行駛工況、熄火浸置工況和發動機怠速工況等。在臺架試驗中，除包含標準GB/T 12542—2009中規定的全部工況外，還根據車輛的實際使用情況對該標準中規定的兩個工況進行了細分和組合，得到了4個新工況，這樣臺架試驗共為10個工況。因發動機熄火后無進氣，所以只選取其中5個工況對中冷器進行分析。

發動機最大扭矩轉速是一個區間轉速，在標準GB/ T 12542—2009中并未規定在具體的轉速點下進行試驗，因而通常采用高轉速點進行試驗。但車輛實際使用中，最大扭矩對應區間轉速的低轉速點也容易出現高溫情況，因為此時風扇轉速較低，減弱了散熱能力。為此，在臺架試驗中，將標準GB/T 12542—2009中發動機最大扭矩轉速工況分為最大扭矩低轉速點和最大扭矩高轉速點兩個工況。

標準GB/T 12542—2009中規定的熄火浸置工況是在高速行駛工況后持續進行的，以考核車輛熄火后散熱系統在風扇停轉、冷卻水循環停止后冷卻液是否會持續升溫。在實際使用中，雖然車輛熄火后冷卻風扇停止工作，但冷卻液有時還會持續升溫，所以試驗中應考慮在發動機最大扭矩轉速工況和發動機額定功率轉速工況試驗后進行熄火浸置工況的試驗，這樣就增加了最大扭矩低轉速點熄火浸置、最大扭矩高轉速點熄火浸置和發動機額定功率轉速熄火浸置等3個試驗工況。

3　評價指標與試驗結果分析

3.1評價指標

對于冷卻系統散熱能力的評價，采用“液氣溫差”和“氣氣溫差”作為其評價指標。

a.液氣溫差是指發動機熱平衡時發動機出水溫度與環境溫度的差值，是反映散熱器散熱能力的重要指標。該指標用以計算極限環境使用溫度，溫差越低極限環境使用溫度就越高，車輛適應高溫環境的能力就越強。

b.氣氣溫差是指中冷器中冷后空氣溫度與環境溫度的溫差，是反映中冷器散熱能力的重要指標。在同樣的增壓壓力下，溫差越低，發動機進氣量就越高，越有利于提高發動機功率。

另外，散熱器表面的冷卻空氣在發動機艙內回流、滯留、加熱冷卻氣流，會造成機艙整體或局部溫度過高，所以根據冷卻空氣熱回流的部位可以判斷與冷卻系統相關的車輛總體布置是否合理，這是一個輔助評價指標。

3.2對比分析

針對目標車輛進行了道路試驗和臺架試驗，兩種試驗的試驗工況相同，不僅包含標準GB/T 12542—2009中規定的6個工況，又補加了4個新工況。利用3種評價指標對臺架試驗和道路試驗的試驗結果進行對比分析。

3.2.1液氣溫差的對比分析

在環境溫度分別為35℃和29℃時各進行5次臺架試驗，在環境溫度為29℃時進行3次道路試驗，試驗工況包括怠速（工況1）、模擬爬坡（工況2）、高速行駛（工況3）、高速行駛熄火浸置（工況4）、最大功率（工況5）、最大扭矩低轉速點（工況6）、最大扭矩高轉速點（工況7）、最大功率熄火浸置（工況8）、最大扭矩低轉速點熄火浸置（工況9）和最大扭矩高轉速點熄火浸置工況（工況10），試驗結果見圖2。由圖2可看出，臺架試驗時，當環境溫度為35℃時測得的液氣溫差要高于環境溫度為29℃時測得的液氣溫差，所以整車散熱系統在較低的環境溫度下將得到較低的液氣溫差[8]。目前重型汽車設計中以41℃作為車輛的極限使用環境溫度，顯然試驗環境溫度越接近極限使用環境溫度，試驗結果就越能準確評價散熱性能，所以在試驗環境溫度為35℃時測得的結果更能正確評價散熱性能。另外，當環境溫度為29℃時，臺架試驗測得的液氣溫差略高于道路試驗測得的液氣溫差，這表明臺架試驗不易受到風速、風向、道

圖2　不同環境溫度下道路試驗與臺架試驗的液氣溫差對比結果

從圖2還可看出，在發動機最大扭矩轉速下，無論是道路試驗還是臺架試驗，低轉速點的液氣溫差要比高轉速點的高，說明低轉速點處散熱器散熱能力相對較差。所以考查發動機最大扭矩轉速下散熱器的散熱能力時，應該考慮發動機最大扭矩低轉速點工況。在發動機最大扭矩轉速工況試驗后進行了熄火浸置工況試驗，液氣溫差沒有升高，說明風扇停轉后，冷卻系統散熱容量仍然足夠。在發動機最大功率轉速工況試驗后進行熄火浸置工況試驗時，液氣溫差反而升高，使發動機水溫存在接近廠家規定發動機最高出水溫度的風險。

3.2.2氣氣溫差的對比分析

由于發動機熄火后無進氣，所以在發動機熄火浸置工況下，對氣氣溫差數據不做分析。圖3為不同環境溫度下臺架試驗和道路試驗所測定的氣氣溫差試驗數據。

圖3　不同環境溫度下道路試驗與臺架試驗的氣氣溫差對比結果

由圖3可看出，臺架試驗和道路試驗的氣氣溫差在各工況下相差均較小。但是從試驗數據的穩定性看，臺架試驗要優于道路試驗。因為在道路試驗時，駕駛員難以使發動機穩定在一個恒定的轉速下，風速也會高低不定，所以導致試驗數據不穩定。

3.2.3極限工況下熱回流現象對比

圖4為在道路試驗和臺架試驗時所測的發動機轉速在最大功率點處的中冷器前方熱回流現象，圖中顏色愈深的區域表示中冷器相應位置溫度愈高。試驗結果表明，總體上回流現象不嚴重，回流主要分布在散熱模塊的中部和上部區域，可判斷出駕駛室前圍柵板導致了中部熱回流，而模塊上部的高溫則主要是因為靠近中冷器進氣口造成的。

圖4　不同環境溫度下道路試驗與臺架試驗熱回流現象對比

從試驗效果看，道路試驗中顯示的熱回流區域面積比較小且范圍松散，這應歸結于道路試驗時環境風速和風向的不穩定，道路試驗結果的這種特性不利于判斷中冷器前方的熱回流部位。

以上分析表明，臺架試驗測得的液氣溫差要大于道路試驗測得的液氣溫差，也就是道路試驗表現出車輛的極限使用溫度更高一些。其原因在于，車輛在實際使用中，散熱器的散熱帶難免進入灰塵，冷卻液也難免混入雜質，二者均使散熱能力略有下降。鑒于上述分析可認為，雖然臺架試驗結果表現出車輛的極限使用溫度略低于道路試驗，但選用臺架試驗結果可使設計安全裕度趨于保守一些。另外，臺架試驗在試驗實施時沒有空間和時間的限制，試驗周期短，有利于跟進產品的開發進度。

4　結束語

本文對重型汽車整車熱平衡臺架試驗方法進行了研究。結合車輛實際運行環境，對臺架試驗的試驗條件作出相應規定，以確保模擬環境盡可能接近實際的極限環境。對道路試驗標準中規定的工況進行了擴充，確定了臺架試驗工況。以液氣溫差、氣氣溫差和熱回流部位為指標，將整車熱平衡臺架試驗的結果與道路試驗結果進行對比分析，二者試驗數據的一致性驗證了臺架試驗的合理性、可行性與應用優勢。

參考文獻

1Mahmoud K G,Loibner E,Wiesler B,et a1.Simulation

based vehicle thermal management system concept and methodology.SAE Paper,2003（1）:276.

2Page R W,Hnateznk W,et a1.Thermal management for the 21st century improved thermal control&fuel economy in an army medium tactical vehicle.SAE Paper,2005（1）2068.

3楊勝.汽車熱管理系統半物理仿真實驗平臺研究：[學位論文].北京：清華大學，2004.

4劉忠民.發動機熱平衡試驗研究.柳州：浙江大學學報（工學版）,2008,42（7）：1247～1251.

5解玉欽.LG953輪式裝載機散熱系統的改進設計：[學位論文].長春：吉林大學，2009.

6韋凱軍.某微型汽車整車熱平衡實驗研究與分析：[學位論文].長春：吉林大學，2011.

7廖鴻胡.微型汽車整車熱平衡實驗研究與分析.機械制造, 2012,50（569）：41～43.

8于翔.應用整車熱平衡試驗數據回歸分析指導冷卻系統的設計改善.中國汽車工程學會年會論文集，2014.

（責任編輯文楫）

修改稿收到日期為2015年8月27日。

Research on Thermal Balance Bench Test Method of Heavy Duty Trucks

Cui Qiming1,Hou Zhichao2,Wang Yongfei1,Zhang Yong2,Liu Yi3
（1.BEIBEN Trucks Group Co.,Ltd,Baotou 014032;2.State Key Laboratory of Automotive Safety and Energy,Tsinghua University,Beijing 100084;3.Ordnance Engineering College,Shijiazhuang 050003）

【Abstract】In this research,vehicle thermal balance bench test method is studied with a heavy duty vehicle as example.Combined with vehicle practical operating conditions,bench test conditions are defined,and bench test cycles are defined based on the extension of the operating cycles specified in the road test criteria,and comparisons is made and analyzed between vehicle road test and bench test,which shows that the bench test results agree well with that of road test, proving feasibility,rationality and application advantage of bench test after modification.

Key words:Heavy duty truck,Vehicle thermal balance,Bench test

中圖分類號:U461.8

文獻標識碼:A

文章編號:1000-3703（2016）03-0052-05