某天然氣發動機重卡整車熱平衡試驗分析

◎文/唐飛 王永攀 張猛（華菱星馬汽車〈集團〉股份有限公司安徽重型專用車發動機安徽省重點試驗室）

在世界性石油資源日益枯竭以及全球性污染不斷加劇的形勢下，發展天然氣汽車是實現節能減排的更好途徑，開展天然氣汽車相關性能研究具有重要的理論意義和應用價值。整車冷卻系統是汽車一個重要組成部分，對汽車的動力性、經濟性和可靠性有很大的影響，其作用是確保發動機在任何工況下均能滿足整車熱平衡的要求。隨著研發水平不斷提升，在汽車開發階段利用試驗手段進行整車熱平衡試驗，測試整車冷卻系統在極限工況下的各項參數，可有效確認發動機是否存在過熱問題，及時對冷卻系統的性能進行改進，從而縮短開發周期。

目前，研究整車冷卻系統散熱性能的試驗，基本上是通過整車道路試驗或轉鼓試驗完成。使用較多的試驗方法有負荷拖車牽引試驗法、爬長緩坡行駛試驗法和轉鼓試驗法。由于整車道路試驗方法受氣候條件、場地條件、人為因素控制條件等多方面因素的影響，尤其是受到道路狀況的限制，很難進行長時間、長距離坡道行駛，無法保證發動機在最大轉矩點和額定功率點長時間運行并達到運行工況的熱平衡狀態。而轉鼓試驗法使用載荷控制模式，通過恒定車速控制，同時模擬使用環境，使發動機在規定的極限工況下運行并達到穩定的熱平衡狀態。此外，為使試驗車輛發動機獲得汽車正常行駛時迎風的冷卻條件，使用了風洞以汽車行駛時吹向發動機的風速向汽車正面送風。因為室內試驗條件容易控制，干擾因素較少，試驗結果不受道路和氣候條件的影響，試驗數據準確可靠。由于天然氣的熱負荷比柴油要高，因此天然氣發動機整車冷卻系統熱平衡試驗面臨著更大的挑戰。本文以某天然氣發動機重型卡車整車冷卻系統熱平衡轉鼓試驗為基礎，對該車型的冷卻系統進行評估，通過試驗數據的對比分析，能夠快速評價整車冷卻系統的適應能力。

本次試驗在裝配有轉鼓試驗臺的熱環境風洞中進行，轉鼓臺為雙滾筒結構（轉鼓直徑1905mm，鼓面寬度1050mm，鼓外側距3000mm，鼓內側距900mm），安裝在地面下，為被測車輛提供精確的道路負載模擬，再現被測車輛在真實路面上的行駛情況。試驗時車輛駛上轉鼓并對中，然后用固緊裝置約束車輛，確認無誤后測試設備將模擬實際道路狀況如車速、扭矩、道路載荷等，使車輛在與實際道路行駛相同的條件下進行試驗。

一、車輛準備

本試驗車輛信息：6X4牽引車（總質量49t），漢馬動力天然氣發動機（額定功率255kW），法士特變速箱（12擋），LNG，散熱中冷總成A，散熱中冷總成B。

1.節溫器

節溫器的主要作用是跟據冷卻液溫度的高低自動調節進入散熱器的冷卻液流量，改變冷卻液的循環范圍，實現調節冷卻系統的散熱能力，保證發動機在合適的溫度范圍內工作。發動機運行時節溫器必須保持良好的技術狀態，否則會嚴重影響發動機的正常工作。如節溫器閥門開啟時間過遲，會引起發動機過熱；閥門開啟時間過早，則使發動機預熱時間延長，會使發動機溫度過低。在冷卻液低于70℃時，節溫器閥門關閉，發動機冷卻液按照小循環路徑僅在發動機內部流動；當水溫高于80℃時，節溫器閥門逐漸打開，散熱器內的冷卻液開始流動，至85℃時閥門半開，到95℃時閥門全開，發動機冷卻液按照大循環路徑同時在發動機和散熱器內部流動。

在整車熱平衡試驗時，節溫器必須整改成強制全開狀態，以確保試驗過程中發動機冷卻系統的冷卻液始終能經過節溫器進入散熱器，再經散熱器回到發動機，使之按大循環閉合路徑循環流動，以保證車輛達到最大冷卻效能。

2.冷卻風扇

發動機冷卻風扇是車輛冷卻系統的重要組成部分，主要有剛性傳動和電子硅油離合器傳動兩種形式。電子硅油離合器風扇通過雙金屬感溫元件實現由溫度控制風扇工作，所以不僅有節能的效果，還能保證發動機有良好的熱狀態，對發動機的運行和使用壽命延長都有好處。

試驗過程中，需將電子硅油離合器粘性傳動風扇整改為剛性傳動風扇，以確保發動機冷卻風扇隨發動機常轉，使冷卻系統保持最大冷卻效能。

3.整車配重

為使試驗車輛在轉鼓臺上能穩定運行，即車輪在轉鼓上不發生徑向跳動、滑移和跑偏，需要調節整車配重，但本次試驗車輛后橋軸荷6t，轉鼓摩擦系數0.8，轉鼓牽引力30kN，一般使靜摩擦力大于1.5倍轉鼓牽引力，即可避免輪胎在轉鼓上運行時打滑，所以不需要進行配重。

4.輪胎

試驗前必須更換新輪胎，因為試驗時輪胎與轉鼓間的相對摩擦會加速輪胎表面磨損，采用表面己經磨損的舊輪胎會使輪胎爆胎。輪胎充氣壓力對試驗數據的準確性有較大影響，因此試臉必須檢查輪胎氣壓，保證符合該車的技術條件規定，本試驗車輛輪胎規格為12R22.5。

5.車輛在轉鼓臺上的安裝

調整車輛的位置，將車輛前后兩橋置于轉鼓臺架的中線上，并且車頭的位置距離風洞出風口3m處，風口中心對準汽車縱向對稱平面，用鋼索將車輛從不同方向固定在反力架上。

表1 傳感器型號及布置表

二、試驗系統搭建

本試驗系統是通過在實車上安裝傳感器建立試驗平臺。主要試驗設備包括壓力傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、數據采集儀等，根據車輛結構和具體的試驗要求，對各測量點進行合理布置，進行全面測量。

1.測點布置

進行整車熱平衡試驗時，主要監測參數有大氣溫度、空濾器進氣溫度、散熱器進水溫度、散熱器出水溫度、中冷器進氣溫度、中冷器出氣溫度、散熱器進水壓力、散熱器出水壓力、中冷器進氣壓力、中冷器出氣壓力、增壓器進氣壓力、排氣背壓、發動機轉速、發動機扭矩、機油溫度等。各監測點傳感器布置見表1要求。

各測點傳感器在整車冷卻系統上的布置如圖1所示。

圖1 傳感器布置示意圖

2.傳感器的安裝

本試驗中中冷器進氣口和出氣口分別布置溫度傳感器和壓力傳感器，測點位置位于中冷器進、出氣口300mm內，測定點處的管徑等于進、出氣管管徑，安裝時需要提前在管壁鉆孔并將傳感器接頭焊接在孔上。由于中冷器進氣口和出氣口的溫度是考察中冷器散熱能力的重要監測參數，因此溫度傳感器必須選擇精度較高的熱電阻傳感器。

散熱器進、出水溫度和壓力是評價冷卻系統散熱性能的重要參數，因此必須在散熱器進水口和出水口布置溫度傳感器和壓力傳感器，測點位置位于散熱器進、出水口300mm內，該溫度傳感器也必須選擇精度較高的熱電阻傳感器。

三、試驗條件

環境溫度：大于25℃。迎面風速：與車輛在實際道路行駛情況對應，以車頭前1m處實測值為準；在最大功率點的模擬風速為25km/h，在最大扭矩點的模擬風速為10km/h。發動機節溫器狀態：全開狀態。電子硅油離合器風扇：斷電直連，目的是使冷卻系統保持最大冷卻效能。尾氣排出方式：真空抽排。加速油門踏板位置：最大行程位置。載荷控制模式：恒定車速控制，車輛模擬載荷為滿載狀態?？照{：試驗時空調使用外循環，溫度調節開關置于最大冷卻模式，風量調節開關置于最大位，達到最大制冷量。試驗工況：最大扭矩點1450r/min，最大功率點1900 r/min。車輛試驗時使用檔位為直接擋，即變速箱傳動速比為1.0。確保車輛無限扭等異常狀況。

四、試驗過程

試驗要求風速穩定在試驗要求的狀態下，即最大扭矩點工況10km/h，最大功率點工況25km/h。預熱試驗車輛首先使其性能處在正常運行時的穩定狀態，再將發動機的水溫預熱到正常行駛狀態下的溫度(80～90℃)。轉鼓臺架的預熱主要是為了使各機械部件之間的內摩擦趨于穩定，以免影響測試結果。

按照極限使用工況的要求進行試驗，即發動機在滿載情況下工作在最大扭矩點和最大功率點的工況，通過轉鼓逐步對汽車施加載荷，汽車以直接擋、油門踏板達到全開的狀態行駛，控制汽車發動機的轉速穩定在規定轉速區間，偏差在±2%或±50r/min（取兩者中較大值），保持穩定狀態，以1Hz頻率采集各實驗工況數據，當連續5min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±0.5℃以內時，即認為車輛達到熱平衡狀態。此后，應繼續采集熱平衡狀態下的數據至少5min，測試結束。

五、試驗結果評價和分析

1.評價指標

對冷卻系統散熱能力的評價，一般以整車熱平衡時的發動機出水溫度與環境溫度的差值（液氣溫差）、中冷器出氣溫度與環境溫度的差值（氣氣溫差）、中冷器壓降、極限使用許用環境溫度等參數作為汽車冷卻系統適應能力的評價指標。而其他監測參數主要用來了解發動機各相關系統的工作溫度和壓力情況，是否滿足使發動機正常工作的狀態。各項評價指標的意義如下：液氣溫差設計值為60℃，氣氣溫差設計值為25℃，中冷器壓降設計值不大于13 kPa，極限使用許用環境溫度設計值為1℃，許用環境溫度計算方法為試驗測得最高穩定出水溫度與試驗時的環境溫度的差值被最高允許出水溫度相減所得值。

2.試驗結果分析

數據采集結束后，取各工況點的穩定后的數據進行記錄，試驗結果如表2所示，其中A為裝配原散熱中冷總成，B為裝配改進后散熱中冷總成。

表2 試驗結果

該車輛發動機在經濟轉速區和額定轉速區滿負荷運行，所測得的液氣溫差和氣氣溫差顯示，該車型匹配的散熱中冷總成A不滿足設計目標，通過對該車型匹配的散熱中冷總成進行優化改進，對裝配改進后散熱中冷總成B再次進行測試，其值達到了預期目標。根據經驗，重型車輛在低速滿負荷工況下運行，是最考驗整車冷卻系統的時候，此時雖然發動機需要冷卻液散發的熱量稍低于額定轉速下冷卻液散發的熱量，但因發動機轉速更低，相對應的風扇轉速也較低，冷卻風量則較小。該車輛測試中監測的液氣溫差、氣氣溫差數據也印證了這一點（見圖2）。

圖2 各工況下散熱能力對比結果

圖3 各工況下中冷器壓降和增壓器進氣阻力對比結果

圖4 各工況下防熱回風效果對比結果

通常要求增壓器進氣阻力即整車進氣道與空氣濾清器的進氣阻力保持基本穩定，一般不超過-4kPa，該車輛實測值滿足要求，有利于保障增壓器的性能；同時，中冷器前后進氣壓降遠低于目標值13kPa，完全符合設計期望值，測試結果如圖3所示。

從測試數據中還可以看出，該車型中冷前空氣溫度（中冷器芯體前溫度）與環境溫度差別不大，反映出該車型防熱回風處理的比較好?！碍h境溫度”“中冷器芯體前溫度”兩項監測值，隨著發動機轉速升高、發動機散熱量總值的升高而有小幅升高，而其升高的幅度（溫升）與轉速升高呈反比下降趨勢，則側面反映出此車輛因風扇轉速升高，有效通過散熱中冷總成模塊的有效冷卻風量增大，因熱傳導而升高的溫度增加趨勢變緩，其對比見圖4。

測試數據表明，在極限使用工況下，裝配原散熱中冷總成A的極限使用許用環境溫度只有39.1℃，不能滿足設計要求，而改進后的散熱中冷總成B的極限使用許用環境溫度達到了44.9℃，滿足設計要求。

由此可見，通過整車熱平衡轉鼓試驗法能夠有效地評價試驗車輛冷卻系統在極限工況下的散熱能力，還可以快速評價整車冷卻系統的適應能力，為汽車冷卻系統的設計和開發提供了快速、有效的驗證手段。