重型卡車熱平衡道路試驗細節探討

薛黎明　張濤　王東亮　敖娜娜

摘 要：目前，國內關于整車熱平衡試驗的研究主要偏向于發動機冷卻系統的匹配分析與熱平衡性能的改善，而對一些常見的影響熱平衡試驗的細節問題沒有引起足夠的重視，導致試驗結果的有效性、準確性大打折扣。以重型卡車為例，對整車熱平衡道路試驗過程中發動機故障、節溫器、風扇離合器、傳感器布置、環境風速、試驗操作、結果評價與修正等細節問題進行探討，對整車熱平衡道路試驗的試驗條件、試驗方法、試驗結果評價與修正進行了補充。

關鍵詞：重型卡車 熱平衡 道路試驗 冷卻性能 風扇離合器

Discussion on details of heat balance road test for heavy truck

Xue Liming Zhang Tao Wang Dongliang Ao Nana

Abstract：At present， the domestic research on vehicle thermal balance test mainly focuses on the matching analysis of engine cooling system and the improvement of thermal balance performance， but not enough attention has been paid to some common details affecting the thermal balance test， which leads to the reduction of the validity and accuracy of the test results. Taking the heavy truck as an example， the details of engine failure， thermostat， fan clutch， sensor layout， ambient wind speed， test operation， result evaluation and correction in the process of vehicle thermal balance road test are discussed， and the test conditions， test methods， test results evaluation and correction are supplemented.

Key words：Heavy truck， heat balance， road test， cooling performance， fan clutch

1 前言

汽車冷卻系統應能保證發動機在各種工況下的散熱需求，而冷卻系統的散熱性能需要通過熱平衡試驗進行評價。現行的熱平衡試驗標準為GB/T 12542-2009《汽車熱平衡能力道路試驗方法》，規定了整車熱平衡試驗的試驗條件與試驗方法[1]。

以重型卡車為例，對整車熱平衡道路試驗過程中細節問題進行探討，為整車制造企業制訂更加科學、有效、合理、可操作的熱平衡試驗企業標準提供參考。

2 發動機故障

電控柴油噴射系統通過許多傳感器檢測柴油機運行狀態和環境條件，并由電控單元計算出適應當前運行狀況的控制量，然后由執行器實施。如果發動機運行環境出現故障，或發動機測量環境的傳感器出現故障，發動機電控單元會采取“限扭”對發動機本體進行保護。另外，因后處理故障導致排放超標也會引起發動機限扭[2]。發動機限扭狀態下采集的熱平衡試驗數據，是無意義的。

根據大量試驗經驗，發動機最大扭矩與最大功率工況，扭矩百分比應達到85～100%，中冷進氣壓力應達到150～200kPa，中冷進氣溫度應達到150～200℃，否則發動機存在限扭的可能。因此，在熱平衡試驗前需確認試驗車輛是否存在發動機故障并及時將故障處理關閉。

3 節溫器

節溫器是控制冷卻液流動路徑的閥門。節溫器的主要作用是根據冷卻液溫度的高低自動調節冷卻液的循環范圍，保證發動機始終在合適的溫度范圍內工作。目前廣泛采用的是蠟式節溫器，裝在缸蓋水套出水口處[3]。

熱平衡試驗時，應確保冷卻液始終經過散熱器，按大循環路徑流動，以保證車輛達到最大冷卻效能。可以拆除節溫器，利用錐形木塞封堵小循環路徑。安裝木塞時，還應將木塞沿垂直向下方向稍用力錘緊，防止冷卻液在水泵增壓作用下，將木塞沖掉，導致通往散熱器的大循環路徑堵塞，引起試驗時發動機“開鍋”，導致試驗失敗。

4 風扇離合器

為降低冷卻風扇功率消耗，防止發動機過冷，汽車多采用風扇離合器來控制冷卻風扇的冷卻風量[4]。在熱平衡試驗前，需將冷卻風扇由離合器傳動整改為剛性傳動，使冷卻系統始終保持最大冷卻效能。

4.1 機械硅油離合器

機械硅油離合器大多采用雙金屬感溫圈控制。當流經散熱器的空氣溫度升高時，雙金屬感溫圈受熱變形，迫使閥片軸轉動，高黏度硅油便流入工作腔，離合器接合，風扇轉速升高。熱平衡試驗前，需將風扇前端雙金屬螺旋彈簧直段從固定槽中撬出，按逆時針方向旋轉，觀察轉軸，應能轉動，直到轉不動為止。

4.2 電控硅油離合器

電控硅油離合器作為機械硅油離合器的升級產品，不同的是由帶有電磁線圈的電磁閥門取代機械硅油離合器熱敏雙金屬感溫閥門。它直接讀取發動機控制模塊ECU信號，由離合器內部電磁閥根據發動機冷卻液溫度控制冷卻風扇轉速。

熱平衡試驗前，需拔掉電控硅油離合器控制線束插件，將風扇改為剛性連接。

4.3 電磁離合器

電磁離合器通過溫控開關自動控制風扇吸合、分離。當發動機工作時，風扇在軸承慣性作用下空轉。當水溫升高到規定溫度，溫控開關閉合導通電路，離合器產生磁力帶動風扇轉動，使水溫快速下降。熱平衡試驗前，需用梅花扳手或套筒，利用3顆M6螺栓，將鎖緊片對準傳動盤螺紋孔，扭緊3顆M6螺栓，扭緊力矩為8～9Nm，同時拔出電磁離合器控制線束插件。

若未按以上操作將冷卻風扇由離合器傳動整改為剛性傳動，試驗過程中發動機出水溫度將無法穩定，數據曲線呈波浪形，整車將無法達到熱平衡狀態，最終導致試驗失敗。

5 傳感器布置

5.1 中冷壓力與溫度傳感器

在選擇傳感器安裝位置時，應注意留有足夠的空間，防止與周圍部件干涉，同時應與增壓器等高溫部件保持距離，避免傳感器損壞。測點的位置盡量選擇在直管段，即不在彎折、變截面的地方，同時應將壓力測點布置在溫度測點的上游，以免溫度傳感器探針擾亂氣流而影響壓力測量結果。

5.2 冷卻液溫度傳感器

布置傳感器時，應確保傳感器探針深入冷卻液管路的長度為0.5-1R（R為管路半徑）。因溫度傳感器屬非隔離傳感器，與被測冷卻液直接接觸，電流可以在二者之間流通，因此要求采用隔離地線，以避免接地循環引起測試誤差。

5.3 環境溫度傳感器

試驗時，一般將環境溫度傳感器固定在駕駛室外部。因駕駛室表面受陽光照射吸熱、發動機艙排出的熱風上升、從車后往前吹的自然風將經過散熱器和發動機艙的熱風吹到駕駛室附近等因素，均會對環境溫度測點造成影響[5]。

可制作一個紙筒（也可用其他耐熱材料制作），將環境溫度傳感器放在紙筒中間部位。盡量將紙筒放置在駕駛室最前端和最高的位置上，并且使紙筒軸線方向朝向車輛行駛方向。這樣既可以避免傳感器受陽光直射，又可以防止駕駛室表面熱輻射，同時保證測點通風，免受發動機艙熱風影響。

6 環境風速

環境風速會引起車輛迎面風速及熱風回流的變化。若自然風沿車頭向后吹，會增大車輛迎面風速，吹到散熱器表面風風速也隨之而變大，使吹過散熱器的風量增加，從而有利于散熱器散熱性能的發揮。若自然風從車尾往前吹，可能將發動機艙排出熱風吹到前格柵附近，被風扇重新吸入，再次參與熱交換，使散熱器散熱性能有所降低。

GB/T 12542-2009規定試驗時環境風速不超過3m/s。根據試驗經驗，建議在環境風速不超過1.5m/s的自然環境下進行試驗，否則可能導致熱平衡試驗結果失真。

7 試驗操作

負荷拖車發動機功率應盡可能比試驗車大或至少是與試驗車輛同功率車型，杜絕用大功率試驗車拖小功率負荷拖車[6]。試驗車輛多態開關（也叫省油開關）應調至“重載”位置，否則發動機無法發揮該轉速下的最大扭矩，即使達到熱平衡狀態，試驗數據也是無意義的。

最大功率工況，試驗車輛一般使用2檔或3檔，最大扭矩工況，試驗車輛一般使用3檔或4檔。負荷拖車檔位推薦與試驗車輛同檔位或高出試驗車輛1個檔位。試驗開始時，試驗車輛逐漸將油門踏板踩到底， 當發動機轉速超過試驗要求轉速時，負荷拖車逐漸松掉離合。避免急加速、急松離合，導致試驗車與負荷拖車連接裝置崩斷。

若試驗車輛發動機轉速仍高于試驗要求轉速，則負荷拖車應通過剎車繼續對試驗車輛施加負荷;若試驗車輛發動機轉速低于試驗要求轉速，則試驗車輛應及時降低1個檔位或負荷拖車升高1個檔位;若負荷拖車轉速過高，則負荷拖車應及時升高1個檔位。

若道路不夠平直，上坡路段負荷拖車應適當減小剎車力度，下坡路段負荷拖車應適當增加剎車力度，使試驗車輛與負荷拖車發動機轉速始終保持穩定。因負荷拖車需長時間使用剎車，因此必須加裝淋水降溫裝置，對車輪進行淋水降溫，防止車輪溫度過高引起輪胎起火燃燒。

8 結果評價與修正

8.1 結果評價

對于冷卻系統散熱能力的評價，采用冷卻常數和中冷后溫升作為其主要評價指標。冷卻常數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使用許用環境溫度（冷卻液允許最高溫度與冷卻常數的差值）。一般要求冷卻常數限值為58～61℃。中冷后溫升是指中冷器中冷后空氣溫度與環境溫度的差值，是反映中冷器散熱能力的重要指標。一般要求中冷后溫升限值為25～30℃。

另外，發動機艙溫度、冷卻模塊前端進風溫度與風速、空濾進氣溫度、發動機進出水溫差與壓差、中冷壓降等參數常用于判斷冷卻系統相關零部件性能及發動機艙布置是否合理，一般作為輔助評價指標。

8.2 結果修正

國標要求試驗環境溫度不低于30℃，但大多地區大多時間均無法滿足該要求。由于發動機艙內積熱、地面熱輻射與熱風回流的影響，冷卻液溫度會比環境溫度上升的更快，二者并不是呈線性關系變化。所以較高的環境溫度將得到較高的液氣溫差，較低的環境溫度將得到較低的液氣溫差。整車與發動機制造企業進行了大量試驗研究，得到了冷卻常數與試驗環境溫度的修正關系（如表1）。

9 結論

以重型卡車為例，對整車熱平衡道路試驗中發動機故障、節溫器、風扇離合器、傳感器布置、環境風速、試驗操作、結果評價與修正等細節問題進行探討，對重型卡車整車制造企業建立科學、有效、合理、可操作性更強的熱平衡試驗企業標準具有一定參考價值。并且對中、輕型卡車的熱平衡試驗以及熱平衡環境艙臺架試驗也具有一定的參考意義。

參考文獻：

[1]GB/T 12542-2009，汽車熱平衡能力道路試驗方法[S].

[2]張育雄，謝小虎，張兵.商用車電控發動機動力不足排查方法研究[J].裝備維修技術，2017（3/4）：41-50.

[3]吝立永，王大偉.發動機水溫過高的問題分析[J].時代汽車，2018（04）：127-128.

[4]賈衛，孫軍，黃祥，等.發動機硅油風扇離合器研究現狀、討論與展望[J].機械設計，2019，36（05）：10-14.